针铁矿中Al、Cd同晶共替代的竞争关系及其Cd的配位

发布时间：2020-08-28 04:57

【摘要】：针铁矿是自然环境土壤中最常见和最主要的铁氧化物之一,它具有高比表面积和表面反应位点密度,对许多营养元素和无机有机污染物吸附固定,影响着它们在环境中的迁移转化及生物有效性。南方重金属污染土壤中的针铁矿在其形成过程中,除发生铝同晶替代外,还伴随有其它污染元素如镉等的同晶替代。实验室条件下关于铝、镉同晶替代针铁矿的研究已有报道,但这些报道多聚焦于铝、镉对针铁矿的单一替代。实验主要是在室温条件下,采取均匀沉淀法,在高PH下,合成不同系列铝镉双掺针铁矿样品,研究铝镉共存的情况下,两者含量变化对针铁矿同晶替代的相互竞争关系及其对Cd配位的影响。得出的主要相关结论如下:1.当加入的铝镉总量一定时(Al+Cd=x mol%),随着镉初始量的增加,铝替代量逐渐减少,镉实际替代量均与?Al(铝、镉同晶替代针铁矿样品的铝初始加入量实际铝含量之间的差值)呈显著负相关;当初始铝含量一定时(Al=4,10mol%),随着镉替代量的增加,铝替代量越来越低(?Al逐渐增大),镉实际含量不受铝含量影响;当初始铝镉含量相当时(Al:Cd=1:1),镉替代量与?Al呈显著正相关。2.当铝镉共存时,所有系列(Al+Cd=x mol%;Al=x mol%;Al:Cd=1:1)的结构精修结果显示,晶胞参数b、c以及晶胞体积V均和镉替代量呈现显著的正线性相关,晶胞参数a整体上呈增大趋势。3.电镜结果显示,当铝镉总量一定时,随着镉含量的增加,铝含量的减小,颗粒的长度明显变短,宽度无明显变化,针铁矿晶体生长受到了抑制作用,并且镉含量的增加对针铁矿晶体生长的抑制作用大于铝含量减少对晶体生长的促进作用;当铝镉含量相当时,随着铝、镉含量的增加,针铁矿颗粒有细长针状变为短粗的棒状;4.铝镉总量一定且含量较低时(5 mol%,10 mol%),随着镉含量的逐渐增加,铝含量的减少,水分子弯曲振动的频率降低,νO-H伸缩振动频率逐渐增加,δO-H和γO-H位置无明显变化,Fe-O的红外谱带逐渐向低波数位移;当铝含量一定时(Al=4,10mol%),随着镉含量的逐渐增加,3417 cm-1和3117 cm-1处红外吸收峰频率呈增大趋势,且铝含量越高,增长幅度越大,H2O弯曲频率显著减小,Fe-O键伸缩振动频率随镉增加而减少;当铝镉含量比为1:1时,随着铝镉含量逐渐增加,H-O-H伸缩峰向高波数偏移,水分子弯曲振动频率基本上不变,当铝镉含量均增加至10%时,频率显著减小30cm-1,面内羟基弯曲振动频率呈增大趋势,δO-H与γO-H频率差变小,617cm-1处的Fe-O键吸收谱带一直减小,Fe-O键键长变长。5.当铝含量一定时,随着加入的镉含量由0增加至8 mol%时,Fe-O距离逐渐减小,而E(共边Fe-Me1原子间距)和E’(共边Fe-Me2原子间距)呈显著减小的趋势,DC(共角顶Fe-Me3原子间距)增长幅度较小,E/E’比值也逐渐增加;当加入的镉含量增加至10 mol%时(Al10Cd10),Fe-O键长却突然增大,但与纯相针铁矿比较,Fe-O键长明显偏小,E,E’和DC均显著增加。比较Al2Cd8和Al10Cd8样品发现,镉含量一定时,铝含量增加会使E、E’、DC均减小,分别为2.984-2.978?,3.159-3.135?,3.397-3.389?,E/E’由0.945增加至0.950?。Cd K边EXAFS分析表明,当镉含量较高时,镉的配位环境与镉含量较低时镉的配位环境相比,发生了明显的改变,有部分镉进入到了2×1的隧道结构中,具体位于隧道横向对称轴上,且不在几何中心位点处。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53
【图文】：

针铁矿,晶胞参数,结构示意图,地球化学循环

结构示意图（显示三个 Fe-Fe 距离，两个共边（E1和 E2anceau and Drits, 1993)，以及晶胞参数 a，b，c (Szytul1.1 The structure of goethite showing the three Fe-Fe distang (E1and E2) and one corner-sharing (CS) (Manceau and the unit cell with its dimensions a, b, and c (Szytula et al., 的主要组成部分，针铁矿具有高比表面积和表面反应位养元素和无机有机污染物的高效吸附基质（Cornell and态系统中微量元素的地球化学循环、质量平衡，土壤中金制、营养物质的有效性都有着重要的影响（Stuck and Taylor, 1989; Ford et al., 1997; Alvarez et al., 2007）。针铁矿与金属元素相互作用的研究进展α-FeOOH）广泛分布于亚热带、温带的各类土壤中，是

替代量,铝含量,初始量,针铁矿

更清楚地比较铝镉同时存在的情况下，铝镉之间含量的变化，设 1：1 时，一系列针铁矿合成实验，元素分析结果见表 3.4。表3.4铝、镉替代针铁矿的元素组成分析Table 3.4 Element analysis of (Al, Cd)-substituted goethite号 Al mol% Cd mol% Al+Cd mol% Al mol% Cd2.5 2.08 2.51 4.59 0.42 d5 2.88 5.26 8.14 2.12 d7.5 2.90 8.06 10.96 4.60 d10 3.58 11.02 14.60 6.42 l mol%=铝初始量-实际量； Cd mol%=镉初始量-镉实际量 3.4 中可以看出，虽然铝、镉的初始加入量一样，但是铝替代量却，镉的实际替代量基本上与初始设定值一致，这表明铝对镉替代没用，另外，铝的实际替代量虽然也在逐渐增加，但是 Al 却逐渐增

晶胞参数,替代量,针铁矿,同晶

图 3.10 铝镉同晶替代针铁矿中晶胞参数（a）a、（b）b、（c）c 与镉替代量的关系Fig 3.10 Relations of（a）a-,（b）b-,（c）c- unit cell parameters with simultaneousubstitution of Al and Cd in the goethite and Cd substitution从图中可以看出，当铝的初始加入量一定时，镉的含量从2 mol%逐渐增加至10 mol%时，晶胞参数 a、b、c 均与镉替代量呈现较好的正相关（R2=0.944，n=6，k=0.0027p<0.01；R2=0.9913，n=6，k=0.0143，p<0.01；R2=0.9433，n=6，k=0.0029，p<0.01）而且，镉的替代对晶胞参数 b 的影响最大。另外,晶胞体积会随着镉替代量由最初的138.79 3逐渐增长至 143.30 3，且与其呈良好的线性增长关系（R2=0.9847，n=6，k=0.4149，p<0.01）。铝镉共替代样品的晶胞参数均大于纯相针铁矿的，这表明镉对晶胞参数的影响占主导作用。3.3.3 Al: Cd=1:1

【参考文献】