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我国几种土壤中铁锰结核的物质组成与表面化学性质

谭文峰  
【摘要】: 用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM/ED/EDS)、扫描电镜(SEM/EDS)、X射线光电子能谱(XPS)和全量分析、化学选择溶提等技术,研究了我国几类土壤铁锰结核的形态构造、氧化锰矿物类型与形貌、物质组成、对重金属离子的吸附和Cr(Ⅲ)的氧化,探讨了铁锰结核和所含氧化锰矿物的性质、形成机制及其与土壤环境条件的关系。 1、本文提出的方法—用样液比1:100、pH3.0的0.1mol/L HAHC处理样品2小时,能从铁锰结核中分别溶提出80.6~86.3%、1.9~3.8%和<0.36%的锰、铁和铝,说明将此方法用于分离、测定铁锰结核中的锰、铁、铝是可行的。 2、与土壤相比,铁锰结核中的MnO_2、Pb、Cd、Ba、Co、Ni、Cu、Zn强烈富集,Fe_2O_3明显富集,CaO、P_2O_5、Na_2O稍有富集,SiO_2、Al_2O_3、K_2O、MgO、TiO_2有所减少。结核中Ba、Cd、Co、Cu、Ni、Pb、Zn含量与MnO_2含量显著相关;而土壤中的Cd、Cu、Ni、Pb、Zn含量与Fe_2O_3,含量显著相关。因子分析表明铁锰结核中的元素可分三组:第一组为SiO_2、Al_2O_3、K_2O、MgO、CaO、Na_2O、TiO_2、Sr,代表硅酸盐矿物的元素组合;第二组为MnO_2、Ba、Cd、Co、Cu、Li、Ni、Pb、Zn,它们的富集与氧化锰矿物有关;第三组为Fe_2O_3、P_2O_5、Cr,其富集与氧化铁矿物有关。XPS分析表明铁锰结核中的锰为+3、+4价。 3、SEM下的铁锰结核背散射电子(BSE)图像表明,从南到北,结核内环带构造由清晰到模糊;Mn、Fe的环带分布逐渐减弱,Ca的增强。SEM/EDS分析表明:①MnO_2、Fe_2O_3在结核剖面上呈波形曲线分布,二者含量交替上升或下降,波形变化由南向北更加频繁,结核的环带构造逐渐由厚变薄;②红壤、黄棕壤铁锰结核剖面上MnO_2含量的变异系数比砂姜黑土、棕壤的高,Fe_2O_3的则相反;③酸性-微酸性土壤中铁锰结核的Ca、Ba、Co、Ni、Pb富集于氧化锰矿物,微碱性-碱性土壤中铁锰结核的Ca、Ba富集于氧化锰矿物,Co、Ni、Pb主要沉淀富集于结核。铁锰结核的生长可分为土壤渍水与贫水两个阶段,环带构造可能是在较大全球气候变化或新构造运动中引起地形、土壤环境巨大波动的条件下形成的。 4、土壤的层状硅酸盐矿物由南到北逐渐从以1:1型高岭石为主过渡到以2:1型矿物为主;1.4nm过渡矿物转变成蛭石,蒙脱石从无到有,三水铝石从有到无;铁锰结核从南到北的变化与相应土壤的一致,但不含三水铝石,1.4nm矿物为蛭石,2:1型矿物含量比相应土壤的高,高岭石含量则相反。随着铁锰结核颗粒增大,高岭石含量减少、水云母含量增加,层状硅酸盐矿物与土壤间的差异增大。铁锰结核中氧化铁的活化度与游离度比相应土壤的大,从南到北由针-赤混合型向针铁矿过渡,针铁矿比例增加,赤铁矿比例逐渐减少直至消失,与土壤的变化一致,但G/(G+H)比值比土壤的高,针、赤铁矿的铝同晶替代量比相应土壤的低。 5、砂姜黑土铁锰结核的锰矿物以钙锰矿与狸硬锰矿为主,其它土壤的均以理 硬锰矿为主。黄褐土、武汉黄棕壤铁锰结核中还含水钠锰矿、水羟锰矿,宜章红壤、 武汉黄棕壤、砂姜黑土还含锰钡矿,桂阳红壤有少量锰铅矿;铁锰结核中的锰矿物 类型与其所含特征元素的地球化学特性相符。TEMffeDffiDS的观察与分析表明,桂 阳红壤、黄褐土、棕壤铁锰结核中理硬锰矿的结晶颗粒为500urn~1000nm,呈片状 或板块状,衍射花样清晰;武汉黄棕壤的水钠锰矿和砂姜黑土的钙锰矿在TIM明 场下都为微晶集合体;前者的单个晶粒不易分辨,只在暗场像下显示出10urn—30urn 极细小晶体颗粒,电子衍射花样呈多晶衍射环,后者多呈纤维状、长片状或针状, 电子衍射花样呈较清晰的多晶衍射环。 6、pHS.5下,土壤铁锰结核对不同重金属离子的吸附顺序为:Ph>Cn>Zfi>C。 >M>C山 对这些重金属离于吸附力大小的顺序为:*5-1>*2-1>N个1>N卜1, 这与其所含的主要氧化锰矿物类型有关。 7、N4-l、NZ-l、NS-l中氧化锰对k(Im的最大氧化量分别为 723.6、627.l、 打8.6m。1/陌(枷0。)。铁锰结核对k(皿的氧化百分率:(1)随出 升高而降低; *)随离子强度增加而略有升高:u)随样品c人P吸附量增加的变化较小;随 Ph吸附量的增加而降低,Ph吸附量大于100nunol爪g时,降幅减弱、趋于稳定。铁 锰结核的氧化锰矿物对Cr皿)的氧化,仅限于吸附在Stern层的Cr(ill),对其它 Cr(Ill)的氧化机率很小,并受PH、竟争吸附阳离子种类、氧化锰矿物类型、锰的 价态及表面位点亲和性的影响。


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