锰矿物和石英砂表面锰胶膜的形成及影响因素探讨

摘要

土壤锰矿物是土壤的重要组成部分，影响着土壤的物理、化学和生物化学性质。土壤锰胶膜作为土壤锰矿物在土壤界面中的主要存在形态，广泛存在于我国亚热带地区。与铁相比，锰在土壤中具有更高的活性，对土壤化学性质的影响作用更为强烈，因此土壤锰胶膜方面的研究受到相关学者的广泛关注。本文利用二价锰盐还原KMnO4的方式合成锰矿物，并通过对合成产物的各种表征方式，研究了不同锰摩尔比R(Mn2+/Mn7+)、合成温度(30℃、50℃、70℃、90℃、110℃)、阴离子类型(SO42-、Cl-、NO3-)等影响因素对合成的影响，并对反应机理进行了探讨;进而在实验室模拟条件下，利用在石英砂载体表面包被氧化锰矿物的方法，合成锰胶膜，探讨了不同锰摩尔比R(Mn2+/Mn7+)、合成温度、老化时间、搅拌时间及石英砂添加量对胶膜包被形成的影响;分析新合成的锰胶膜得表面化学性质，对其吸附效果和影响因素进行了简单的探讨。实验得到结论如下：
　　 ⑴锰摩尔比R是影响合成生成矿物的主要影响因素，合成温度的升高可增快反应速率。当R为1∶1时，各温度条件下合成的锰矿物均为单一矿相的锰钾矿，SEM图像显示合成产物为针状晶体形貌，且产物的结晶度和锰氧化度(AOSMn)均随温度升高而增大;R为1∶2时，各温度条件下合成的矿物为锰钾矿和水钠锰矿的混合物，且随着合成温度的升高，混合矿物中水钠锰矿所占的比重越来越大，SEM下产物的晶体形貌为针状和颗粒状混合物，AOSMn也随温度升高而升高;R为1∶3和1∶4时，各温度下合成的锰矿物均为单一矿相的水钠锰矿，SEM图像显示产物为颗粒状的晶体形貌，且随着合成温度的升高，晶体颗粒逐渐增大，结晶度和AOSMm均逐渐升高。
　　 ⑵高锰摩尔比下，阴离子种类的不同也会影响矿物的种类。当R为1∶1时，以MnCl2和MnSO4为还原剂所合成产物为单相的锰钾矿，且后者的结晶度高于前者，SEM下的矿物晶体主要为针状;以Mn(NO3)2为还原剂时，合成产物锰钾矿和拉锰矿的混合矿物，SEM下的矿物晶体为细针状和梭状。当R为1∶2时，XRD下均只出现水钠锰矿的特征衍射峰，且以MnCl2为还原剂时产物的结晶度最高，SEM下MnSO4体系的锰矿物晶体呈颗粒状掺杂少量针状，MnCl2体系的为颗粒状;Mn(NO3)2体系下的矿物晶体则以颗粒状为主掺杂着少许针状的或梭状。当R为1∶3时，三种还原剂所合成产物也均是颗粒状的水钠锰矿，且结晶度由高到低依次为Mn(NO3)2体系、MnCl2体系和MnSO4体系。
　　 ⑶为锰钾矿和拉锰矿的混合矿物，SEM下的矿物晶体为细针状和梭状。当R为1∶2时，XRD下均只出现水钠锰矿的特征衍射峰，且以MnCl2为还原剂时产物的结晶度最高，SEM下MnSO4体系的锰矿物晶体呈颗粒状掺杂少量针状，MnCl2体系的为颗粒状;Mn(NO3)2体系下的矿物晶体则以颗粒状为主掺杂着少许针状的或梭状。当R为1∶3时，三种还原剂所合成产物也均是颗粒状的水钠锰矿，且结晶度由高到低依次为Mn(NO3)2体系、MnCl2体系和MnSO4体系。
　　 ⑷合成温度为30℃的条件下，当R为1∶1时，锰胶膜矿物为颗粒状的水钠锰矿和针状锰钾矿的混合矿物;R为1∶2、1∶3和1∶4时，锰胶膜矿物均为颗粒状的水钠锰矿，但随着摩尔比R的减小，锰胶膜矿物结晶度升高，胶膜表面矿物含量减小。
　　 ⑸R为1∶3时，合成温度对胶膜矿物类型无影响，但随合成温度的升高（由30℃升到110℃），胶膜表面矿物的结晶度逐渐升高，颗粒状结构增大，胶膜表面矿物含量略有降低。
　　 ⑹老化时间对胶膜矿物类型几乎没有影响，且对胶膜表面锰矿物含量的影响较小;搅拌不会影响胶膜矿物类型，但搅拌时间越长，胶膜表面矿物含量越高。
　　 ⑺石英砂会降低锰矿物的结晶度，但不影响矿物类型;随石英砂添加量的增大，胶膜锰矿物的结晶度降低，且胶膜表面锰矿物含量随合成温度的升高出现先降低后升高的趋势。
　　 ⑻在合成温度为30℃，R为1∶3，石英砂添加量为40g，老化时间为48h的条件下所合成锰胶膜的电荷零点(PZC)为2.17，处在水钠锰矿(1.21)和空白石英砂(2.62)的PZC之间。且在此条件下合成的锰胶膜对Pb2+具有着良好的吸附作用，并在离子强度为0.01mol/L、pH为4-6范围内出现最大吸附量。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 天然铁锰胶膜的形成

1．1．1 铁锰胶膜的物质组成

1．1．2 铁锰胶膜的形成特点及环境影响

1．2 水钠锰矿的合成

1．3 锰胶膜的合成

1．3．1 直接蒸发法

1．3．2 碱性蒸发淀积法

1．3．3 其它合成方法

1．4 水钠锰矿合成的影响因素

1．5 矿物及胶膜的表面化学性质

1．6 研究目的与意义

2 材料与方法

2．1 实验试剂

2．2 锰矿物的合成

2．2．1 不同锰摩尔比R和合成温度时锰矿物的合成

2．2．2 不同二价锰盐还原KMnO4时合成锰矿物

2．3 石英砂表面锰胶膜的合成

2．3．1 不同锰摩尔比R下锰胶膜的合成

2．3．2 不同合成温度下锰胶膜的合成

2．3．3 不同静置时间、搅拌时间下锰胶膜的合成

2．3．4 不同石英砂添加量下锰胶膜的合成

2．4 锰矿物及锰胶膜分析及表征

2．4．1 X—射线衍射(XRD)分析

2．4．2 扫描电镜(SEM)观察

2．4．3 比表面积(SSA)测定

2．4．4 X—射线衍射光电子能谱仪(XPS)分析

2．4．5 氧化锰矿物的锰氧化度测定(AOS)

2．4．6 锰胶膜中锰含量的测定

2．4．7 锰矿物及胶膜的电荷零点(PZC)测定

2．5 吸附实验

2．5．1 锰胶膜对Pb2+的等温吸附

2．5．2 不同离子强度下锰胶膜对Pb2+的吸附

2．5．3 不同PH锰胶膜对Pb2+的吸附

3 结果与分析

3．1 锰矿物的合成及其影响因素

3．1．1 锰摩尔比R及合成温度对锰矿物形成的影响

3．1．2 阴离子对合成锰矿物的影响

3．1．3 小结

3．2 锰胶膜的合成及其影响因素研究

3．2．1 锰摩尔比R对合成锰胶膜的影响

3．2．2 合成温度对锰胶膜合成的影响

3．2．3 静置时间、搅拌时间对锰胶膜合成的影响

3．2．4 不同石英砂添加量对锰胶膜合成的影响

3．2．4 小结

3．3 锰矿物、空白石英砂及锰胶膜的盐滴定曲线

3．4 锰矿物及胶膜的X-射线光电子能谱分析

3．4．1 锰矿物及胶膜中锰元素分析

3．4．2 锰矿物及胶膜氧元素分析

3．5 锰胶膜对Pb2+吸附

3．5．1 吸附锰胶膜的表征

3．5．2 锰胶膜对Pb2+的等温吸附

3．5．3 离子强度、pH对锰胶膜吸附Pb2+影响

4 讨论

4．1 合成温度、锰摩尔比R及阴离子对锰矿物形成的影响

4．2 锰胶膜合成的影响因素

5 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文