土壤铁键复合体的模拟合成、表征及其对氟和硒迁移转化的影响机制

Iron-bound complex is an important component of soils and has a significant influence on the biogeochemical cycles and environmental effects of the elements in supergene environments. Enshi (Hubei Province) is a typical high-fluoride and high-selenium area, where endemic fluorosis is seriously epidemic and the case of selenium poisoning is also common. In this study, we will extract soil colloids from high-fluoride and high-selenium soils from Enshi, and prepare a variety of Fe-bound complexes based on the main components and their contents in the soil colloids. The formation processes, structural characteristics, stability, and surface properties of the Fe-bound complexes will be studied by means of combining various characterization and some physical and chemical theories. Moreover, the influence mechanisms of the Fe-bound complexes on the migration and transformation of fluorine, selenium, and fluorine coupling selenium (fluoride + selenium) will be investigated by (1) adsorption and desorption experiments, sand culture and soil culture pot experiments, (2) modern testing techniques, and (3) adsorption models. According to its formation conditions, the Fe-bound complex with high stability and active surface will be cultivated in high-fluorine and high-selenium soils to restore the soils contaminated by fluorine and selenium. The main aims of this work are to reveal the formation characteristics and the physical and chemical properties of Fe-bound complexe in soils, and to gain understanding of the biogeochemical cycles of fluorine and selenium, and also to obtain some practical instructions for the remediation of high-fluorine and high-selenium soils, which is very significant to the ecosystem health and human safety of Enshi area.

土壤铁键复合体是土壤的重要组分，对表生环境中元素的生物地球化学循环和环境效应有显著影响。湖北恩施多数土壤中氟和硒的含量偏高，境内氟、硒中毒案例比较常见。为此，本项目拟从恩施高氟、高硒土壤中提取土壤胶体，依据其主要组分及含量模拟制备铁键复合体；根据表征结果与胶体化学基础理论，揭示铁键复合体的形成过程及其影响因素，分析其结构特征、稳定性和表面性质；设计吸附/解吸实验、砂培及土培盆栽试验，综合运用表观实验数据、现代测试技术以及界面吸附模型，探讨铁键复合体对氟、硒以及氟硒联合（氟+硒）迁移转化的影响机制；根据铁键复合体的形成条件，在高氟、高硒土壤中培育稳定性强、表面活性高的铁键复合体，修复氟、硒污染土壤。本研究有助于揭示土壤铁键复合体的形成发育及理化性质，可丰富氟和硒的生物地球化学循环理论，在实践上可为氟、硒污染土壤的治理提供科学依据。

土壤铁键复合体广泛分布于各类土壤中，对表生环境中污染物质的迁移转化有重要影响。氟和硒都是人体和动物必需的微量元素，但过量摄入会导致人畜产生疾病。全球共有几亿人口受到氟污染威胁，主要分布在东非、印度、中国等。美国、以色列、中国等国家的一些局部地区都有硒过量致人畜中毒的案例，在湖北恩施硒中毒的现象比较常见。人畜体内氟、硒的供应状况主要受制于氟和硒在环境中的总量和赋存形态。土壤中的氟和硒可与土壤铁键复合体相互作用，从而影响它们的赋存形态和生物有效性。本项目分析了高氟、高硒土壤中氧化铁、层状硅酸盐矿物和腐殖酸3种重要组分及其含量，并在不同条件下制备了系列铁键复合体。用X射线衍射（XRD）、化学选择溶提等技术，分析了复合体中氧化铁和层状硅酸盐矿物的形态和含量，用总有机碳（TOC）仪测定了复合体中腐殖质的含量。红外光谱（FTIR）分析了复合体表面的主要化学基团，扫描电镜（SEM/EDS）和透射电镜（TEM/EDS）分析了复合体的微形貌、微域元素含量和表面形态，揭示了复合体中各组分间的成键情况和依附关系。采用激光粒度分析仪测定了样品的粒径分布和力学稳定性，热重分析（TG/DTG）揭示了其持水性和热稳定性。用全自动比表面仪分析了铁键复合体的比表面积、表面分形度、孔径分布和孔体积，自动电位滴定仪测定了样品的质子电荷量和电荷零点，Zeta电位仪测定了电位值和电位零点。设置不同的初始pH、吸附剂与吸附质的浓度、温度、时间等环境条件，研究了复合体对氟、硒以及氟+硒的等温吸附、动力学吸附和热力学吸附特性，并用经典吸附模型对吸附数据进行了拟合分析；FTIR和X光电子能谱（XPS）分析了样品表面的主要官能团在吸附氟、硒前后的变化特征；根据不同温度下的吸附数据，计算分析了吸附反应焓变、自由能和熵变。综合运用吸附数据、现代测试技术和吸附模型，结合铁键复合体的组成和理化性质，分析了它与氟、硒相互作用的内在机制及影响因素。基于该项目研究成果，项目主持人作为第一作者或通讯作者已经发表9篇论文，其中SCI、EI论文8篇，另外有数篇论文在撰写中。这些结果在理论上可丰富氟和硒的生物地球化学循环理论，在实践上可为氟、硒污染土壤的治理提供科学依据。