研究亮點

劉曉磊:綠脫石結構Fe(II)和有機酸協同還原Cr(VI)的機理研究【EST,2019】
發布:科技處 2020-05-25 閱讀:

土壤或沉積物中普遍存在的含鐵粘土礦物在重金屬污染物的遷移轉化過程中具有重要作用。含鐵粘土礦物中結構鐵[Fe(III)]可被微生物或化學還原劑還原生成結構亞鐵[Fe(II)],具有較低的氧化還原電位和較高的反應活性,可還原高毒性六價鉻[Cr(VI)]生成低毒性三價鉻[Cr(III)]。但是土壤或沉積物中廣泛存在的有機質對于該過程的影響,目前尚不清楚。

針對上述科學問題,我校“極端環境生物地球化學循環”求真研究群體劉曉磊博士后在董海良教授指導下,以綠脫石為典型含鐵粘土礦物,并選取環境中廣泛存在的一系列小分子有機酸(酒石酸、蘋果酸、琥珀酸、乳酸、琥珀酸、丙酸、扁桃酸及扁桃酸甲酯)為代表,探究環境中小分子有機酸對綠脫石中結構Fe(II)還原Cr(VI)的動力學過程的影響及其反應機理。研究取得的新認識如下:

1. 綠脫石-有機酸-Cr(VI)相互作用體系中Cr(VI)的還原反應是綠脫石中結構Fe(II)和有機酸協同作用的結果,有機酸的存在對該體系中Cr(VI)還原反應的速率和程度均有影響。有機酸可提供額外電子使得反應體系中Cr(VI)還原總量大幅度提高。這一結果不同于以往報道的僅當強酸或光照條件下,有機酸(除部分還原性極強的有機酸外)方可作為電子供體還原Cr(VI),揭示了土壤環境中普遍存在且較為新穎的礦物-有機質與重金屬間的電子轉移機制。在近中性、無光環境中,得益于綠脫石中結構Fe(II)還原Cr(VI)過程中獨特的電子傳遞方式和傳遞速率,有機酸可與其還原Cr(VI)過程中生成的過渡態五價鉻[Cr(V)]發生絡合,形成有機酸-Cr(V)配位體,隨后Cr(V)被還原,有機酸被氧化,進而提高體系中Cr(VI)的還原速率和還原總量(圖1)。

2. 有機酸的存在使得綠脫石還原Cr(VI)生成的鉻還原產物的賦存狀態發生明顯改變。綠脫石中結構Fe(II)單獨還原Cr(VI)的還原產物主要以Cr(OH)3/Cr2O3納米顆粒的形式分布在礦物表面或邊緣區域,不易遷移,可大幅度降低其被強氧化劑重新氧化的可能性。然而,綠脫石-有機酸-Cr(VI)相互作用的體系中,部分鉻還原產物以可溶性有機絡合態Cr(III)的形式存在,而非固相Cr(III)的形式。

該研究結果表明探究土壤或水體中多環境因素控制下的重金屬遷移轉化規律,對于全面理解重金屬的環境行為十分關鍵。

1 近中性、無光環境中綠脫石結構Fe(II)和有機酸協同還原Cr(VI)的機理示意圖

 上述研究成果發表在環境科學與工程領域國際權威刊物 Environmental Science & Technology》上:Liu X.L., Dong H.L., Zeng Q., Yang X.W., Zhang D.L. Synergistic Effects of Reduced Nontronite and Organic Ligands on Cr(VI) Reduction. Environmental Science & Technology, 2019, 53: 13732-13741. [IF2018=7.149]

全文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.est.9b04769

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