Xác định các tương tác của hệ thống ferrihydrite-axit humic-Pb (II)

Springer Science and Business Media LLC - Tập 29 - Trang 21561-21575 - 2021
Zhuanjun Zhao1, Liwei Yao1, Jie Li1, Xiangbang Ma1, Liangwei Han1, Zhiyuan Lin1, Shuqi Guan1
1Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems (Ministry of Education) and Key Laboratory for Environmental Pollution Prediction and Control, Gansu Province, College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou, People’s Republic of China

Tóm tắt

Ferrihydrite thường kết tủa với axit humic theo cách tự nhiên, ảnh hưởng đến số phận của ion chì, tính ổn định của axit humic và quá trình lão hóa của ferrihydrite. Một loạt các hạt ferrihydrite-axit humic (Fh-HA) 2 dòng với các tải trọng C khác nhau đã được chuẩn bị, hình thái và tính chất bề mặt của các khoáng hữu cơ Fh-HA đã được xác định, và đặc tính hấp phụ của các ion Pb lên Fh-HA đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy rằng có sự can thiệp mạnh mẽ của axit humic (HA) vào pha khoáng chủ yếu của ferrihydrite 2 dòng Fh trong tất cả các mẫu, nhưng với tỷ lệ mol C/Fe tăng lên, tính tinh thể dần yếu đi, các hạt trở nên nhỏ hơn, và diện tích bề mặt riêng (SSA) giảm đáng kể. Dữ liệu từ phổ Mössbauer xác nhận rằng các tải trọng C đã thay đổi cấu trúc đơn vị của ferrihydrite. Fh-HA thể hiện khả năng hấp phụ tốt đối với Pb (II): hiệu suất cao và dung lượng lớn, đặc biệt là Fh-HA_2.0. pH có tác động lớn đến sự hấp phụ Pb (II), sự thay đổi pH không chỉ ảnh hưởng đến lượng các ion cạnh tranh trong dung dịch, mà còn ảnh hưởng đến sự phân ly và proton hóa của các nhóm chức năng trên bề mặt của Fh-HA. Động lực hấp phụ có thể được mô hình hóa tốt bằng mô hình giả-hạng hai, và quá trình này được kiểm soát đồng thời bởi hấp phụ phim và hấp phụ trong hạt. Các isotherm hấp phụ có thể được mô tả tốt bởi mô hình isotherm Freundlich. Kết quả xác định chi tiết các phổ Fe 2p, O 1s, và Pb 4f trước và sau khi hấp phụ chì cho thấy sự xuất hiện của các ligan bidentate đơn nguyên tử hoặc bidentate hai nguyên tử trên bề mặt Fh-HA, hình thành phức ổn định trong lòng. Bằng cách so sánh các phổ Mössbauer và hình ảnh TEM, theo thời gian lão hóa, sự tiến hóa chậm hơn của các pha oxy hóa/oxyhydroxide sắt trong hệ Fh-HA-Pb đã xảy ra so với ferrihydrite tinh khiết. Ferrihydrite đã chuyển đổi thành sự kết hợp của các pha ferrihydrite, goethite và hematite. Trong nghiên cứu này, việc xác định tương tác C-Fe, số phận Pb bị ảnh hưởng bởi Fh-HA, và sự chuyển đổi của ferrihydrite sẽ có ý nghĩa quan trọng đến việc ứng dụng các kết tủa Fh-HA trong việc xử lý nước bề mặt hoặc nước ngầm bị ô nhiễm bởi kim loại nặng.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Abdelwaheb M, Jebali K, Dhaouadi H, Dridi-Dhaouadi S (2019) Adsorption of nitrate, phosphate, nickel and lead on soils: risk of groundwater contamination. Ecotoxicol Environ Saf 179:182–187 Bancroft G (1974) Mössbauer Spectroscopy: an introduction for inorganic chemists and geochemists, Halsted Press, New York. Quatern Res 4(2):232 Bargar JR, Brown GE, Parks GA (1997) Surface complexation of Pb(II) at oxide-water interfaces: I. XAFS and bond-valence determination of mononuclear and polynuclear Pb(II) sorption products on aluminum oxides, Geochimica et Cosmochimica Acta 61(13):2617–2637 Bargar JR, Jr GEB, Parks GA (1997) Surface complexation of Pb (II) at oxide-water interfaces: II XAFS and bond-valence determination of mononuclear Pb (II) sorption products and surface functional groups on iron oxides Geochim. Cosmochim Acta 61(13):2639–2652 Baskaralingam P, Pulikesi M, Elango D, Ramamurthi V, Sivanesan S (2006) Adsorption of acid dye onto organobentonite. J Hazard Mater 128:138–144 Cardile CM (1988) Tetrahedral Fe3+ in ferrihydrite - Fe-57 Mössbauer spectroscopic evidence. Clays Clay Miner 36:537–539 Chen H, Wang A (2007) Kinetic and isothermal studies of lead ion adsorption onto palygorskite clay. J Colloid Interface Sci 307(2):309–316 Chen W, Zhanhui Lu, Xiao B, Pengcheng Gu, Yao W, Xing J, Asiri AM, Alamry KA, Wang X, Wang S (2019) Enhanced removal of lead ions from aqueous solution by iron oxide nanomaterials with cobalt and nickel doping. J Clean Prod 211:1250–1258 Cornell RM, Schwertmann U (1979) Influence of organic-anions on the crystallization of ferrihydrite. Clays Clay Miner 27:402–410 Cornell RM, Schwertmann U (2003) Introduction to the Iron Oxides[M]// The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurences and Uses. Second Edition. https://doi.org/10.1002/3527602097 Ding Z, Fu F, Dionysiou DD, Tang B (2018) Coadsorption and subsequent redox conversion behaviors of As(III) and Cr (VI) on Al-containing ferrihydrite. Environ Pollut 235:660–669 Drits VA, Sakharov BA, Salyn AL, Manceau A (1993) Structural model for ferrihydrite. Clay Miner 28:185–207 Du H, PeacocK CL, Chen W, Qiaoyun H (2018) Binding of Cd by ferrihydrite organo-mineral composites: implications for Cd mobility and fate in natural and contaminated environments[J]. Chemosphere 207:404–412 Eusterhues K, Wagner FE, Häusler W (2008) Characterization of ferrihydrite-soil organic matter coprecipitates by X-ray diffraction and Mössbauer spectroscopy. Environ Sci Technol 42(21):7891–7897 Eusterhues K, Rennert T, Knicker H, Kogel-Knabner I, Totsche KU, Schwertmann U (2011) Fractionation of organic matter due to reaction with ferrihydrite: coprecipitation versus adsorption. Environ Sci Technol 45:527–533 Fortin D, Langley S (2005) Formation and occurrence of biogenic iron-rich minerals. Earth-Sci Rev 72(1–2):1–19 Funnell NP, Fulford MF, Inoué S et al (2020) Nanocomposite structure of two-line ferrihydrite powder from total scattering. Commun Chem 3:22. https://doi.org/10.1038/s42004-020-0269-2 Gerhard F, Werner S (1986) The coordination chemistry of weathering: I. Dissolution kinetics of δ - Al 2O3 and BeO, Geochimica Et Cosmochimica Acta. 50(9):1847-1860 Grosvenor AP, Kobe BA, McIntyre NS, Tougaard S, Lennard W (2004) N, Use of QUASESTM/XPS measurements to determine the oxide composition and thickness on an iron substrate. Surf Interface Anal 36(7):632–639 Gupta SS, Bhattacharyya KG (2006) Adsorption of Ni (II) on clays. J Colloid Interface Sci 295(1):21–32 Gustafsson JP, Persson I, Kleja DB, van Schaik JWJ (2007) Binding of iron(III) to organic soils: EXAFS spectroscopy and chemical equilibrium modeling. Environ Sci Technol 41:1232–1237 Janney DE, Cowley JM, Buseck PR (2000) Structure of synthetic 2-line ferrihydrite by electron microdiffraction. Am Mineral 85:1180–1187 Kaiser K, Mikutta R, Guggenberger G (2007) Increased stability of organic matter sorbed to ferrihydrite and goethite on aging. Soil Sci Soc Am J 71(3):711 Kim SO, Lee WC, Cho HG, Lee BT, Lee PK, Choi SH (2014) Equilibria, kinetics, and spectroscopic analyses on the uptake of aqueous arsenite by two-line ferrihydrite. Environ Technol 35(3):251–261 Kragovic M, Dakovic A, Markovic M (2017) Removal of lead and cadmium ions from aqueous solutions by using natural and modified zeolite. Adv Sci Lett 23(6):5862–5865 Lei T, Yuzhen L, Yang L, Wu PX, Shi ZQ (2018) Pb (II) and Cu (II) Adsorption and desorption kinetics on ferrihydrite with different morphologies. Soil Sci Soc Am J 82(1):96–105 Leone L, Loring J, Sjöberg S, Persson P, Shchukarev A (2006) Surface characterization of the gram-positive bacteria Bacillussubtilis — an XPS study. Surf Interface Anal 38:202–205 Liao P, Li W, Wang D, Jiang Y, Pan C, John DF, Yuan S (2016) Effect of reduced humic acid on the transport of ferrihydrite nanoparticles under anoxic conditions[J]. Water Res 109:347–357 Liu C, Huang P (2003) M, Kinetics of lead adsorption by iron oxides formed under the influence of citrate. Geochim Cosmochim Acta 67:1045–1054 Lu Y, Hu S, Wang Z, Ding Y, Lu G, Lin Z, Shi ZQ (2019) Ferrihydrite transformation under the impact of humic acid and Pb: kinetics, nano-scale mechanisms, and implications for C and Pb dynamics, Environmental science. NANO 6:747–762. https://doi.org/10.1039/c8en01327f Maillot F, Morin G, Wang YH, Bonnin D, Ildefonse P, Chaneac C, Calas G (2011) New insight into the structure of nanocrystalline ferrihydrite: EXAFS evidence for tetrahedrally coordinated iron (III). Geochim Cosmochim Acta 75(10):2708–2720 Michel FM, Ehm L, Antao SM, Lee PL, Chupas PJ, Liu G, Strongin DR, Schoonen MAA, Phillips BL, Parise JB (2007) The structure of ferrihydrite, a nanocrystalline material. Science 316:1726–1729 Mikutta C, Mikutta R, Bonneville S, Wagner F, Voegelin A, Christl I, Kretzschmar R (2008) Synthetic coprecipitates of exopolysaccharides and ferrihydrite. Part i: Characterization, Geochimica Et Cosmochimica Acta 72(4):1111–1127 Pan K, Wang (2012) Trace metal contamination in estuarine and coastal environments in China. Sci Total Environ 421:3–16 Reichenberg D (1953) Properties of ion-exchange resins in relation to their structure III Kinetics of Exchange. J Am Chem Soc 75(3):589–597 Rout K, Mohapatra M, Anand S (2012) 2-Line ferrihydrite: synthesis characterization and its adsorption behaviour for removal of Pb(ii), Cd(ii), Cu(ii) and Zn(ii) from aqueous solutions[J]. Dalton Transactions. 41:3302–3312. https://doi.org/10.1039/C2DT11651K Schwertmann U, Cornell RM (2000) Iron oxides in the laboratory: preparation and characterization. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim/VCH Publishers, New York. https://doi.org/10.1002/9783527613229 Tan XL, Wang XK, Geckeis H, Rabung T (2008) Sorption of Eu (III) on humic acid or fulvic acid bound to hydrous alumina studied by SEM-EDS, XPS, TRLFS, and batch techniques. Environ Sci Technol 42(17):6532–6537 Tian L, Shi Z, Lu Y, Dohnalkova A, Lin Z, Dang Z (2017) Kinetics of cation and oxyanion adsorption and desorption on ferrihydrite: roles of ferrihydrite binding sites and a unified model. Environ Sci Technol 51(18):10605–10614 Tiberg C, Gustafsson JP (2016) Phosphate effects on cadmium (II) sorption to ferrihydrite[J]. J Colloid Interface Sci 471:103–111 Turner A (2019) Lead pollution of coastal sediments by ceramic waste. Mar Pollut Bull 138:171–176 Vadivelan V, Vasanth Kumar K (2005) Equilibrium kinetics mechanism and process design for the sorption of methylene blue onto rice husk. Colloid Interface Sci 286(1):90–100 Wang N, Ouyang X-K, Yang L-Y, Omer AM (2017) Fabrication of a magnetic cellulose nanocrystal/metal–organic framework composite for removal of Pb (II) from water. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 5:10447–10458 Wang S, Li H, Xu L (2006) Application of zeolite MCM-22 for basic dye removal from wastewater. J Colloid Interface Sci 295(1):71–78 Xinyi X, Ouyang X-k, Yang L-Y (2021) Adsorption of Pb(II) from aqueous solutions using crosslinked carboxylated chitosan/carboxylated nanocellulose hydrogel beads[J]. Journal of Molecular Liquids 322:114523. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114523 Xiu W, Guo H, Zhou X, Richard B (2018b) W, Michael K, Change of arsenite adsorption mechanism during aging of 2-line ferrihydrite in the absence of oxygen. Appl Geochem 88:149–157 Xiu W, Guo H, Zhou X, Wanty RB, Kersten M (2018a) Change of arsenite adsorption mechanism during aging of 2-line ferrihydrite in the absence of oxygen. Applied Geochemistry B 88:149–157 Xue Q, Ran Y, Tan Y, Peacock CL, Du H (2019) Arsenite and arsenate binding to ferrihydrite organo-mineral coprecipitate: implications for arsenic mobility and fate in natural environments[J]. Chemosphere. 224:103–110 Wang X, Han Z, Wang W, Zhang B, Hui Wu, Nie L, Zhou J, Chi Q, Shanfa Xu, Liu H, Liu D, Liu Q (2019) Continental-scale geochemical survey of lead (Pb) in mainland China’s pedosphere: concentration, spatial distribution and influences. Appl Geochem 100:55–63 Zatsepin DA, Boukhvalov DW, Gavrilov NV, Kurmaev EZ, Zatsepin AF, Cui L, Shur VY, Esin AA (2017) XPS-and-DFT analyses of the Pb 4f -Zn 3s and Pb 5d -O 2s overlapped ambiguity contributions to the final electronic structure of bulk and thin-film Pb-modulated zincite. Appl Surf Sci 405:129–136 Zhang L, Verweij RA, Van Gestel CAM (2019) Effect of soil properties on Pb bioavailability and toxicity to the soil invertebrate Enchytraeus crypticus. Chemosphere 217:9–17 Zhao H, Ouyang X-K, Yang L-Y (2021) Adsorption of lead ions from aqueous solutions by porous cellulose nanofiber–sodium alginate hydrogel beads. J Mol Liq 324:115122. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.115122. http://www.arsdr.cdc.gov/spl Zhu J, Pigna M, Cozzolino V, Caporale AG, Violante A (2010) Competitive sorption of copper (II), chromium (III) and lead (II) on ferrihydrite and two organomineral complexes. Geoderma 159(3–4):409–416