铝同晶替代赤铁矿形貌演化机制及其对磷的吸附特征研究

摘要

铝（Al）作为地壳中第三丰富的元素，在土壤赤铁矿的形成过程中，它以同晶替代方式进入氧化铁晶格，占据Fe3+位置。相比于纯赤铁矿，铝替代赤铁矿在晶胞参数、晶粒大小、结晶度、生长取向、形貌等发生明显改变。这些矿物学性质的改变又反过来影响了赤铁矿的表面电荷特性、吸附能力、热力学稳定性、磁性质以及溶解性等。因此，深刻地理解铝同晶替代赤铁矿纳米颗粒的生长过程及其对赤铁矿矿物学性质的影响具有一定的理论意义。本论文研究了铝同晶替代对赤铁矿纳米颗粒结构和形貌的影响;利用密度泛函理论(DFT)进一步计算出铝对与赤铁矿结构的影响;探讨了不同铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附特征。主要结论如下;
　　1.铝同晶替代诱导了赤铁矿纳米颗粒沿垂直c轴方向生长，随着铝替代量的增加，赤铁矿的晶胞体积v和晶胞参数a、c降低，结晶度减弱，结晶尺寸增大，比表面积增大，结构水增加;赤铁矿纳米颗粒的形貌从菱形，过渡到菱形和平板状混合形貌，最后到平板状。
　　2.DFT计算显示Al以同晶替代方式进入赤铁矿体相结构后，使得体相结构内金属八面体发生不同程度的扭曲形变。这样的形变主要导致了六方紧密堆积的O原子网络在a轴方向产生较大的收缩，而在c轴方向上基本保持不变。从整体上看，六方紧密堆积的O原子网络在ab方向排列更为接近平面六边形。Al与α-Fe2O3表面作用影响了其表面的原子结构以及表面能。影响程度与Al的量及特定晶面有关。α-Fe2O3(001)和(100)与Al作用（吸附），两个晶面的表面能发生明显的翻转，而翻转后表面能较低的(001)也是平板状α-Fe2O3的主导晶面。无论是α-Fe2O3体相结构中的结构水还是表面吸附的水都会增强铝同晶替代α-Fe2O3形貌异质性的演化。对于体相结构水，它加剧了六方紧密堆积的O原子网络在a轴方向的收缩，对于表面吸附水，它钝化了(001)面，使其表面能进一步降低。
　　3.铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附过程表现为一个初始快速吸附过程和随后的慢速吸附过程。随着铝同晶替代量的增加，赤铁矿对磷的初始吸附速率是依次增大的，慢速吸附速率也呈现同样的趋势，相对于快速吸附过程，慢速吸附过程的吸附速率要小一个数量级。Langmuir和Freundlich等温吸附模型均可以描述磷在铝同晶替代赤铁矿上的吸附行为。相比于Langmuir模型，Freundlich模型能够更好的模拟磷在铝同晶替代赤铁矿上的吸附过程。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 赤铁矿的晶体结构和基本理化特征

1．2 土壤中赤铁矿的形成转化及影响因素

1．3 赤铁矿的形貌、尺寸及受控条件

1．4 铝同晶替代赤铁矿的物理化学特性以及反应活性

1．5 研究目的与意义

1．6 研究内容与技术路线

2 材料和方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 铝同晶替代赤铁矿的合成

2．4 样品分析及表征

2．4．1 化学组分测定

2．4．2 X-射线衍射(XRD)分析

2．4．2 热重(TG)分析

2．4．3 比表面积(SSA)测定

2．4．4 透射电镜(TEM)观察

2．4．5 红外光谱(FTIR)分析

2．5 密度泛函(DFT)计算

2．6 铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附实验

2．6．1 铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附动力学实验

2．6．2 铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附等温线实验

3 结果与讨论

3．1 铝同晶替代对赤铁矿纳米颗粒结构及形貌的影响

3．1．1 XRD分析

3．1．2 TEM分析

3．1．3 性质表征

3．1．4 本章小节

3．2 铝对赤铁矿结构影响的密度泛函理论研究

3．2．1 铝对赤铁矿晶胞结构的影响

3．2．2 铝对赤铁矿表面结构的影响

3．2．3 本章小节

3．3 铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附特征研究

3．3．1 铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附动力学研究

3．3．2 铝同晶替代赤铁矿对磷的吸附等温线研究

3．3．3 本章小结

4 结论

4．1 主要结论

4．2 研究展望

参考文献

附表

致谢