中太平洋海山区富钴结壳的矿物学和地球化学研究

摘要

富钴结壳是一种具有战略意义的深海矿产资源，在形成过程中记录了丰富的地球化学信息而受到研究者的广泛关注。本文对中太平洋海山区富钴结壳的矿物学、稀土元素地球化学、富钴结壳中Mn4+/Mn2++Mn4+)质量比、以及锰结核氨浸渣在环境方面的应用进行了较为深入的研究。 中太平洋海山区富钴结壳的矿物学研究表明，水羟锰矿是主要的矿物成分，其结晶度差，此外还有少量的针铁矿、磁铁矿、羟磷灰石、石英、长石、钙十字沸石等。 本文首次发现部分富钴结壳样品在d>20A区间内有较强的衍射峰，且此衍射峰经110℃，12h热处理和400℃，12h热处理后依然存在；部分样品在室温下，d>20A区间内没有出现衍射峰的样品，经热处理后在此区间内出现衍射峰。加热温度越高，衍射峰d值越大，峰强越强。笔者推测此衍射峰可能是由水羟锰矿结构层的随机“坍塌”形成了类水钠锰矿结构层夹层的超结构产生的。研究还发现水羟锰矿的hk1型衍射峰在加热前后衍射峰d值无明显变化。 通过普通X射线荧光光谱仪，结合PEAKFIT谱处理软件，测量了多种锰氧化物的Kβ谱峰，确定了Kβ1，3、Kβ'谱峰参数与锰氧化物价态的关系；对不同比例MnO和MnO2混合样的硒谱峰进行了研究，找出了Kβ'、Kβ1,3的谱峰参数与Mn4+和Mn2+相对含量之间的关系，并据此确定了中太平洋海山区30个富钴结壳样品的Mn4+/(Mn2+Mn4+)质量比主要集中在80％到100％区间内。 对富钴结壳中稀土元素REE测试分析表明，中太平洋海山区富钴结壳样品稀土元素富集，特别是轻稀土明显富集，LREE/HREE平均为4.82；主要为Ce正异常，个别样品出现轻微的Ce负异常。锰结核和富钴结壳形态、构造、矿物组合、区域分布、REE异常等和南极底流(AABW)活动密切相关。 从环境矿物学的眼光看，大洋锰结核和富钴结壳能够有效分解转化气体污染物(如CO、CH、VOC、NOx、SO2)；能够吸附水体中的Cu、Co、Ni、Mn、zn、Cr、Hg、Pb等重金属阳离子和pO43—和SeO32-等阴离子；可做生物固定化载体用于除去水体中的有机污染物，在环境污染治理领域有良好的应用前景。 对大洋锰结核氨浸渣对甲基橙染料废水吸附行为的研究，结果表明，大洋锰结核氨浸渣经过350℃加热后对甲基橙的吸附性能有明显改善，当甲基橙的浓度为100mg/L，pH<2时，脱色率大于94％；当pH>2时，脱色率大于55％。吸附效果受溶液起始pH、氨浸渣投加量、溶液浓度及温度的影响，其中溶液起始pH是影响吸附率的关键因素，吸附较好的符合Langmuir单分子吸附模型。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文选题依据

1.2国内外研究现状

1.3本次研究的主要目的和内容

1.4研究区域地质特点

1.5研究样品

第二章中太平洋海山区富钴结壳的矿物学研究

2.1富钴结壳的类型与外部形态

2.2中太平洋海山区富钴结壳的化学成分

2.3富钴结壳的矿物成分特征

2.4.中太平洋海山区富钴结壳的XRD实验研究及结果分析

2.4.1实验方法

2.4.2富钴结壳中矿物的XRD图谱分析方法

2.4.3实验结果及分析

2.5富钴结壳中的锰矿物相研究

2.5.1锰矿物的孔道结构

2.5.2实验方法

2.5.3实验结果及分析

2.6本章小结

第三章X射线荧光光谱法对铁、锰的价态分析

3.1 Fe、Mn的K、L谱线的起源

3.2实验方法

3.3谱数据处理技术

3.4 Fe、Mn的K系谱线

3.5 Mn氧化物混合样品的谱峰参数测定

3.6富钴结壳样品的分析

3.7本章小结

第四章富钴结壳的稀土元素研究

4.1富钻结壳中稀土元素的配分模式

4.2南极底流活动的特点

4.3锰结核和富钴结壳中南极底流活动记录

4.4研究展望

4.5本章小结

第五章大洋铁锰矿物在环境治理领域应用的实验

5.1大洋锰结核和富钴结壳的环境矿物学属性

5.1.1比表面积大

5.1.2孔隙率大、隧道孔结构特殊

5.1.3层片状结晶结构

5.1.4活性中心多样

5.2净化气体污染物

5.2.1除去CO、CH和VOC

5.2.2除去NOx和S02

5.3除去水体污染物

5.3.1直接吸附重金属离子

5.3.2提炼后的固体残渣吸附金属离子

5.3.3锰结核吸附有害阴离子

5.3.4锰结核作生物固定化载体除去有机物

5.4.其它用途

5.5大洋锰结核氨浸渣对甲基橙的吸附实验

5.5.1实验方法

5.5.2样品的XRD表征

5.5.3不同样品吸附性能的比较

5.5.4溶液浓度、pH及Nod-1投加量对脱色率的影响

5.5.5温度对脱色率的影响

5.6本章小结

结论

致谢

参考文献

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