Al同晶替代对赤铁矿结构、性质的影响及Cr~(6+)环境行为研究
【摘要】：赤铁矿是土壤氧化铁中最稳定的矿相,也是我国红壤、砖红壤及燥红土等高度风化的土壤中最主要和常见的氧化铁矿物之一,其含量、形貌和表面特性决定着土壤中许多营养元素、重金属及有机污染物的存在形态、转化和归趋。而Al同晶替代则是氧化铁矿物中普遍存在的现象。这将导致赤铁矿的的结构、形貌、反应活性以及与重金属污染物之间相互作用机制的改变。本实验合成不同铝替代量赤铁矿,采用粉末X-射线衍射分析(XRD)、Rietveld结构精修、比表面积(SSA)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman spectra)等对其基本理化性质进行表征,探究Al对赤铁矿结构与性质、及赤铁矿-水界面Cr(Ⅵ)形态转化的影响。随着铝同晶替代量的增加,赤铁矿由菱块状逐渐变为薄片状,比表面和孔径随铝替代量的增加先减小后增加,结构水OH含量增加。晶胞参数、晶胞体积和晶体密度随铝替代量增加而减小,且与具有显著负相关性。红外活性基团637 cm~(-1)随Al含量增加向高波数移动,而548 cm~(-1)和469 cm~(-1)向低波数偏移。随替代量增加,赤铁矿共面与共边Fe-Fe键长减小,共角顶Fe-Fe键长增加;a-b面内O-O和沿c*轴方向O-O平均键长均增加。随着pH升高,赤铁矿对Cr(Ⅵ)吸附量逐渐降低。离子强度变化对Cr(Ⅵ)吸附没有显著影响。赤铁矿浓度为0.75 g/L,Cr(Ⅵ)初始浓度为2.5 mg/L,pH=4时矿物对Cr(Ⅵ)的吸附反应约120 min达到平衡。随着铝同晶替代量的增加,赤铁矿对Cr(Ⅵ)的单位面积最大吸附量总体呈下降趋势。红外分析表明,Cr(Ⅵ)在纯赤铁矿表面形成单齿单核和双齿双核内圈络合物,而在Al赤铁矿表面主要形成单齿单核内圈络合物。1 mmol/L Fe(Ⅱ)在厌氧环境下可以促进赤铁矿转化,在29 h时XRD图谱上出现磁铁矿峰,89 h后磁铁矿峰消失,但矿物主体还是赤铁矿。10 mmol/L Fe(Ⅱ)不能促使赤铁矿转化,反应过程中没有出现磁铁矿峰。Fe(Ⅱ)-赤铁矿体系对Cr(Ⅵ)的去除总量略小于Fe(Ⅱ)与赤铁矿单独去除Cr(Ⅵ)量的加和。本文研究结果有助于理解Al对铁氧化物结构和性质的影响,以及含Al铁氧化物界面污染物的迁移转化行为。
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