不同铝同晶替代氧化铁对铅的吸附机制及其模型预测

Iron oxides are crucial in the fate and transport of environmental toxins because they can affect both oxidative and reductive transformations and have a high affinity for the sorption of heavy metals and other chemical species. Charge distribution-multi site complexation model (CD - MUSIC) can accurately calculate chemical speciation and predict the environmental behavior of heavy metals on iron oxide surface. The crystalline structure and surface properties are different from the pure goethite to aluminum isomorphous replacement form. The parameters of the current model from the pure goethite lead to a big gap when the prediction is applied to the soil. In this project, the different types of Al-substitution iron oxides and soil are used as the materials. Combined with the spectroscopies and quantum chemical calculation method, the crystalline structure and surface site of the different Al-substitution iron oxides will be studied. The binding mechanism and speciation distribution between Pb and Al-substitution iron oxide will be investigated and the parameters of Pb adsorption on different Al-substitution iron oxide will be proposed and optimized. Finally, the developed CD-MUSIC model on different Al-substitution iron oxides will be applied to simulate Pb adsorption in soil. This project will be useful to better understanding heavy metal behavior in soil.

氧化铁比表面积大、吸附能力强、氧化还原活性高，控制着土壤中重金属的形态分布、迁移转化与生物毒性。电荷分布多位点络合模型（CD-MUSIC）可准确计算和预测氧化铁表面重金属元素的环境行为，但现有模型的参数多源于纯针铁矿体系，而真实自然环境中的针铁矿多以铝同晶替代形态存在，使晶体结构发生改变，导致这些参数应用到自然土壤存在较大差距。本项目拟以不同类型同晶替代氧化铁和土壤为研究对象，结合现代光谱技术和量子化学计算方法，测定不同类型铝同晶替代氧化铁的晶体结构特征、表面位点类型、位点密度等，分析铝同晶替代氧化铁表面吸附铅离子形态特性和影响因素，完善铝同晶替代氧化铁体系模型参数，构建可行的铝同晶替代氧化铁体系CD-MUSIC模型，并将其应用于土壤中铅形态分布的计算与预测。研究结果可为深入理解土壤活性组分的环境行为、拓展机理量化模型提供理论支撑，为土壤修复、污染风险评估等提供重要参考。

CD-MUSIC模型对土壤活性氧化铁表面离子形态的精确计算与预测，是控制土壤中重金属形态分布与迁移转化的重要环节。自然环境中的氧化铁多以铝同晶替代形态存在，其对氧化铁晶体结构产生影响，使得源于纯氧化铁体系参数的应用与实际存在较大差距，建立铝同晶替代氧化物体系CD-MUSIC模型、完善模型参数，为深入研究土壤活性表面吸附机制、开展准确的理论模拟提供有力的支撑。本项目以不同类型的铝同晶替代氧化铁和氧化铁类型不同的土壤为材料，利用分子环境手段以及DFT等量子化学技术，研究铝同晶替代氧化铁表面对Pb2+的吸附特点及影响因素，构建可行的同晶替代氧化铁体系CD-MUSIC模型。取得的主要进展如下：（1）铝同晶替代对针铁矿、赤铁矿和水铁矿等的晶体结构、表面形貌和表面性质影响不同；（2）不同类型铝替代氧化铁具有相同的单配位和三配位活性位点，铝替代可使氧化铁产生缺陷，导致晶质氧化铁表面羟基位点密度增大，而对非晶质氧化铁表面性能影响不大；（3）构建了铝同晶替代针赤铁矿、赤铁矿对铅的CD-MUSIC模型，完善了相关模型参数；（4）将所得的铝替代体系CD-MUSIC模型参数应用于多表面模型中，分析和明确了红壤中铅等重金属的形态与分布。上述研究结果可为土壤化学模型的拓展和应用提供基础数据。上述研究结果目前已在Environmental Science: nano等期刊发表论文4篇，申请专利2项；受本项目资助，先后参加国际国内会议与交流15人次，培养研究生7名。