铁氧化物非生物还原解离特征和机制的初步研究

摘要

地球表面富含铁氧化物的还原解离过程会强烈影响自然环境中污染物和生源要素的生物地球化学循环，本实验以两种自然界中常见的铁氧化物针铁矿（α-FeO-OH)和纤铁矿（γ-FeO-OH）为研究对象，主要研究了光照和非光照，厌氧和有氧环境下，电子穿梭体（2-磺酸钠蒽二酚，AQS）和有机酸（草酸钠）对铁氧化物（针铁矿和纤铁矿）还原解离协同作用的特征与机制。 首先，实验研究了光照厌氧状态下铁氧化物解离实验。结果表明铁氧化物还原解离程度和速率受到铁氧化物、AQS、草酸盐以及离子强度的影响。当初始铁氧化物浓度从0纤铁矿25 mM升至1.0 mM时，针铁矿和纤铁矿体系中溶解态二价铁浓度分别从0.24 mM提高到0.31 mM以及从0.21 mM提高到0.42 mM，但是继续提高初始铁氧化物浓度则抑制了还原解离程度。此外，如果AQS或草酸盐单独存在，针铁矿就不会发生还原解离；而对于纤铁矿来说，即使没有草酸盐，只要AQS存在，还原解离过程就可以发生。总之，AQS和草酸盐协同作用会显著加速针铁矿和纤铁矿的还原解离过程。当AQS浓度在0.2 mM范围内，针铁矿初始还原速率与随AQS浓度增加而增加，而这一趋势在纤铁矿体系中更加显著。在草酸盐浓度变化的针铁矿体系中，不含草酸盐体系无法测出溶解态二价铁，但是当加入0.25 mM到0.40 mM的草酸盐，溶解态Fe(II)浓度从0.08 mM提升至0.68 mM。而在纤铁矿体系中，当草酸盐浓度为0 mM时，溶解态二价铁浓度为0.1 mM。当草酸盐浓度为1.5 mM时，体系的溶解态二价铁浓度达到最大值0.21 mM，但进一步增加草酸钠浓度，溶解态二价铁浓度不再增加。在离子强度实验中，NaClO4的浓度为0 mM到20 mM，溶解态二价铁浓度范围是0.2 mM到0.3 mM，在10 mM NaClO4时达到峰值。但是，在非光照实验中，以上还原解离过程都不能发生。 作为对照，实验进一步研究了有氧条件下的铁氧化物的还原解离过程。在有氧环境中，即使在光照条件下针铁矿和纤铁矿都不能发生还原解离，实验发现虽然吸附态铁略高于溶解态二价铁，但是在整个反应过程中所测数值相比初始数值几乎没有变化。针铁矿体系中溶解态二价铁浓度，在光照条件下不超过0.09 mM，非光照条件不超过0.014 mM；纤铁矿体系中光照条件下不超过0.12 mM，非光照条件下不超过0.1 mM。 为了研究吸附态铁的影响，在针铁矿厌氧光照体系中加入邻菲罗啉，结果表明，邻菲罗啉会抑制铁氧化物还原解离程度，降低速率。最终溶解态二价铁浓度在加入邻菲罗啉体系中低于0.3 mM，不加邻菲罗啉实验则超过0.4 mM。 实验表明光照和厌氧环境中，电子穿梭体（AQS）和有机酸（草酸盐）存在下的铁氧化物还原解离主要包含两个步骤，首先是在针铁矿形成像纤铁矿一样的不稳定的表面晶体成结构Fe(III)-Fe(II)，并缓慢释放Fe(II)，之后在AQS存在条件下快速还原Fe(III)并释放出Fe(II)，这说明体系中相比电子转移过程，Fe(II)从晶体结构表面的释放过程才是决定反应速度的关键步骤，配体和有机物在铁氧化物还原中的协同作用对环境中铁循环有着重要意义。

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摘 要

绪 论

铁氧化物还原解离研究背景和进展

铁氧化物分类

针铁矿

纤铁矿

铁氧化物还原解离影响因素

Fe(III)氧化物

微生物

pH值

有机酸

电子载体

研究内容和意义

实验材料和方法

实验设备和实验药品

实验设备

实验厌氧和光照设备

实验药品

实验材料

针铁矿的制备

纤铁矿的制备

铁氧化物晶型测定

无氧水

测定方法

实验方案设计

厌氧条件下的铁氧化物还原解离实验

有氧条件下的铁氧化物还原解离实验

结果与讨论

铁矿物浓度对铁氧化物还原解离的影响

不同浓度针铁矿对针铁矿还原解离的影响

不同浓度纤铁矿对纤铁矿还原解离的影响

电子穿梭体对铁氧化物还原解离的影响

不同浓度AQS对针铁矿还原解离的影响

不同浓度AQS对纤铁矿还原解离的影响

有机酸对铁氧化物还原解离的影响

不同浓度草酸钠对针铁矿还原解离的影响

不同浓度草酸钠对纤铁矿还原解离的影响

离子强度对铁氧化物还原解离的影响

不同浓度高氯酸钠对针铁矿还原解离的影响

不同浓度高氯酸钠对纤铁矿还原解离的影响

邻菲罗啉及光照对铁氧化物还原解离的影响

有氧条件对铁氧化物还原解离的影响

电子穿梭体有机酸协同作用的铁氧化物还原解离机理

结论

参考文献