纳米矿物和矿物纳米颗粒（NMMNs）在表生环境中广泛存在，因其独特的性质受到了广泛的研究与报道。NMMNs具有较大的表面积和较高的反应活性，这些特性使其成为重要的地质吸附剂和天然催化剂，这使得它们在控制环境污染物迁移、转化和富集等方面扮演着关键角色。水铁矿作为一种典型的纳米矿物，广泛存在于表生环境中。由于其较大的比表面积和丰富的官能团，可通过吸附/解吸、共沉淀/溶解、氧化还原反应等多种机制来控制污环境中染物的迁移转化行为。然而，水铁矿是一种亚稳定态的矿物，在自然环境中倾向于转化为更稳定形式的铁（氢）氧化物，例如，赤铁矿(Hem)和针铁矿(Gth)等。

在近地表环境中，水铁矿总是与其他NMMNs共存，对其结构、反应性和相变行为产生复杂的相互影响。另一类典型NMMNs便是黏土矿物，它在自然环境中普遍存在，是重金属离子的重要地质吸附剂。黏土矿物和水铁矿共存时，带负电荷的黏土矿物可通过静电吸引、氢键乃至化学键与带正电荷的水铁矿相互作用，形成黏土矿物-水铁矿复合物。多项研究表明，黏土矿物可抑制水铁矿的相转化，这主要归因于溶解离子（例如， ，Al³⁺）的作用和黏土矿物的分散效应。理论上，共存的黏土矿物可能通过多种方式影响重金属离子从水铁矿迁移到溶液中，包括抑制水铁矿的相转化以及再吸附释放的重金属离子。因此，评估水铁矿在黏土矿物存在下对重金属离子的容纳能力，并阐明其潜在机制，对于理解金属离子在环境中的迁移转化行为有重要意义。

近日，中国科学院广州地球化学研究所朱润良研究员团队为深入理解Cd(II)在土壤中长期赋存行为，以黏土矿物（高岭石、蒙脱石）和铁氧化物（水铁矿）作为土壤组分的两类代表，深入探讨了黏土矿物与水铁矿的相互作用过程，以及该相互作用过程如何影响土壤中重金属离子（Cd(II)）的归趋。

本研究表明高岭石和蒙脱石对水铁矿的转化以及共存Cd(II)的释放有显着影响（图1）。高岭石和蒙脱石对水铁矿转变的强烈抑制作用主要源于两种组分之间强烈的表面相互作用、水铁矿在黏土矿物上的高分散性以及黏土矿物中Si和Al的释放。水铁矿的相转化降低了其对Cd(II)的固定能力，导致了部分共沉淀Cd(II)的释放。然而，高岭石和蒙脱石通过抑制水铁矿的相转化、再吸附作用以及缓冲溶液pH值来抑制Cd(II)的释放。由于蒙脱石对Fh转化的抑制作用更强、转化产物的结晶度更低、pH缓冲能力更高，其对Cd(II)释放的抑制作用较高岭石更加显着。从转化产物形貌来看，复合物中新形成的铁（氢）氧化物（主要为赤铁矿）具有较低的结晶度（例如，较小的晶体尺寸和更多的晶体缺陷），这更有利于重金属离子的固定。

 

图1. 黏土矿物抑制水铁矿相转化以及Cd(II)释放

这一研究结果表明，重金属离子的环境行为不仅受到NMMNs单一组分的制约，而且受到多种组分之间复杂相互作用的影响。该结果对于评估具有多种成分的复杂地质环境中重金属离子的迁移行为具有显着意义。

该研究得到了国家杰出青年基金（No. 4225203）和国家自然基金（No. 41902040, 42272045, 42302033）的联合资助。研究成果于10月05日发表于《危险材料》（Journal of Hazardous Materials）。

论文信息：Bin Han（韩斌），Jing Liu（刘晶）*，Runliang Zhu（朱润良），Qingze Chen（陈情泽）*, 2023. Clay minerals inhibit the release of Cd(II) during the phase transformation of Cd(II)-ferrihydrite coprecipitates. Journal of Hazardous Materials. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2023.132723

 

文章链接: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132723