类质同像置换对磁铁矿吸附-转化重金属性能的制约

The adsorption and redox transformation of heavy metals by magnetite, influence the transfer and transformation process of these metal elements. The isomorphous substitution in magnetite structure has made obvious varieties on the physico-chemical properties of magnetite surface, which should restrict the activity of magnetite in the adsorption and transformation of heavy metals. This project focuses the scientific problem how the isomorphous substitution restricts the activity of magnetite in the adsorption and transformation of heavy metals, by using synthetic substituted magnetites as main studied objects. The techniques of spectroscopies, microbeam and molecular probe are carried out to study the microstructure characters and surface physico-chemical properties of substituted magnetites. The adsorption characters, redox characters, chemical configuration and its interaction mechanism of heave metals on substituted magnetite surface are investigated with emphases by adsorption experiment, surface analysis and microbeam techniques. The aim of this study is to illustrate the structure-activity relationship among the characters of local atomic structure, surface physico-chemical properties and adsorption and redox activity of substituted magnetite to heavy metals. The obtained results will be of great significance for the profound understanding of function mechanism of magnetite-group minerals in the environmental self-purification process of heavy metal pollutants and the foundation establishment of the application of magnetite-group minerals in the remediation of heady metal pollution.

磁铁矿对重金属的吸附-氧化还原作用，影响着这些元素在地球表面的迁移和转化过程。类质同像置换使磁铁矿的表面物理化学特征发生显著变化，将制约磁铁矿对重金属的吸附-转化性能。本项目围绕"类质同像置换对磁铁矿吸附-转化重金属性能的制约"这一科学问题，以合成掺杂磁铁矿为研究对象，采用谱学、微束、分子探针等技术研究类质同像置换磁铁矿的微结构特征和表面物理化学性质，重点采用吸附实验、表面分析以及微束技术研究重金属在类质同像置换磁铁矿表面的吸附特征、氧化还原特征、化学形态及其作用机制，阐明类质同像置换磁铁矿的原子局域结构特征、表面物理化学性质与吸附-转化重金属性能三者之间的构效关系，深刻理解磁铁矿族矿物在重金属污染物环境自净化过程中的作用机理，同时为此类矿物在重金属污染修复中的应用奠定理论基础。

本项目围绕“类质同像置换对磁铁矿吸附-转化重金属性能的制约”这一科学问题，以Cr、Mn、Co、Ni、Zn等掺杂磁铁矿为研究对象，采用谱学、微束和分子探针等技术研究磁铁矿的微结构特征和表面物理化学性质，重点采用吸附实验、表面分析以及微束技术研究重金属在类质同像置换磁铁矿表面的吸附特征、还原过程、化学形态及其作用机制，阐明类质同像置换磁铁矿的原子局域结构特征、表面物理化学性质与磁铁矿吸附-还原重金属能力三者之间的构效关系。Cr、Co、Ni主要为+3、+2、+2价，而Mn则为+2和+3混合价。Cr和Co主要占据在磁铁矿晶格中八面体位。Ni/Mn存在两种不同的局域环境。当含量较低时，Ni/Mn主要占据磁铁矿晶格中八面体位置；当含量较高时，Ni/Mn主要占据在磁铁矿的表面。置换离子对磁铁矿吸附Pb(II)容量的增强程度为：Co <Mn< Ni < Cr。Pb(II)在磁铁矿表面呈内圈络合的吸附形态，空间几何构型为三齿双核共角，吸附形态和空间构型均与吸附容量无关。磁铁矿通过配位作用和静电力作用对CrO42-，AsO42-，SO42-，PO43-，CO32-等产生吸附行为。随着pH降低，或浓度增加，吸附量上升。Cr(VI)通过吸附和还原作用被磁铁矿去除，其过程主要依靠异相作用机制。Cr(VI)先被快速的吸附到磁铁矿表面，然后逐渐被吸附在不同位点以及磁铁矿结构中的Fe2+还原为Cr(III)，沉淀为CrxFe1-x(OH)3。Zn置换作用显著提高磁铁矿的表面位密度和比表面积，增强其对Cr(VI)的吸附能力。但占据尖晶石结构中四面体位的Zn2+阻碍电子转移，减弱了磁铁矿的还原能力。上述认识有助于深刻理解磁铁矿族矿物在重金属污染物环境自净化过程中的作用机理，同时为此类矿物在重金属污染修复中的应用奠定理论基础。