Оксиды металла в почвах: Влияние гематита и магнетита

Хотя это правда, что гематит и магнетит в основном известны как источники железа, Есть целый ряд случаев использования, используемых для улучшения и устранения почв. Высокое качество магнетита и гематита, измельченных по любой спецификации, доступны из африканского Пегматита

Введение в железо в почвах

Почва может, естественно, быть высокой по содержанию железа. Почвы, несущие сильный красный или оранжевый цвет, часто богаты железом, из-за наличия естественных оксидов железа, таких как пирит, магнетит или гематит. Эти оксиды, в то время как все оксиды одного и того же базового металла, могут придать почве дико разные свойства за пределами только цвета. Такие явления будут обсуждаться ниже. Важно отметить, является потенциал железа, в любом состоянии окисления, чтобы быть уменьшены или окислены в относительно легких условиях присутствие мгновенных видов бактерий (1). Соединения железа уже давно добавлены в почву. В почвах, потому что оксид железа настолько рассеян по отношению к другим соединениям и самой почве, эти оксиды железа, когда получены из почвы, не считаются полезными для производства железа/стали (2).

shutterstock_1304979382 ширина

Магнетит в почвах

Магнетит является одной из форм оксида железа, Fe3O4, который обладает уникальным железом в обоих Fe2 "и Fe3" окисления государств. Носящ форму обратного шпинеля, свои магнитные свойства высоки оценены. Добавление магнетита в почву выгодно, поскольку впоследствии его можно легко удалить с помощью магнитов. Это может произойти естественно в почве, или быть добавлены в качестве средства обработки почвы.

Основной функцией Магнетита как добавки в почвах является катализатор деградации загрязняющих веществ в почве. К таким загрязняющим веществам относятся, но не ограничиваются промышленными загрязнителями, ароматическими органическими соединениями и другими. Состав почвы является важным фактором при выборе того, что сажать в почву, поэтому важно, чтобы устранить загрязняющих веществ, где это возможно.

shutterstock_438380083 ширина

Работа с загрязненными почвами

Магнетит полезен при удалении других тяжелых металлов из загрязненной почвы, при этом одно исследование сообщает об эффективной иммобилизации/удалении металлов, включая кадмий, свинец и уран, с помощью применения ca. 1.5 наночастицы магнетита (3). Это исследование утверждает, что магнетит несет сильные свойства адсорбции к другим металлам, и может быть полезным в in situ удаления загрязняющих веществ из загрязненных почв. Редуктивное хлорирование хлорированных этиленов, таких как трихлорэтилен и винилхлорид, было продемонстрировано из почв в лабораторных масштабах (4). Дехлорирование следовало по пути гидролизного типа, который был ускорен в десять раз добавлением Fe2 "от магнетита. Магнетит также был использован для уменьшения нитробензена из почв, связанных с промышленным стоком, и было высказано предположение, что увеличение стойихиометрии магнетита может уменьшить нитробензен при отсутствии полностью растворимых Fe2 "(5). Он может быть использован для стабилизации избыточного мышьяка в горных хвостов (6), хотя в большинстве случаев удаления загрязнения почвы/хвостов мышьяка, добавление цинка помогает процессу с точки зрения эффективности (7).

Другие пути, которые используют магнетит в помощь иммобилизации тяжелых металлов в почвах включают, где магнетит был обработан крахмалистым покрытием. Этот магнитит с покрытием был применен к контролируемым системам песчаной почвы, которая имеет концентрацию мышьяка 31,45 мгкг -1. Объединенная система магнетита и крахмала смогла удалить около 93% мышьяка, содержащего молекулы, и уменьшить выщелачивание более чем на 83%(8). Аналогичные исследования - хотя и в отсутствие крахмалистой смолы - показали, что магнетит в почве может эффективно удалить более 90% остатков мышьяка и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), когда использовался всего 1% по весу магнетита (9).

В дополнение к хлорированным этилен, удаление других промышленных отходов, которые могут катализироваться магнетом включают процессы, которые устраняют полициклические ароматические углеводороды, n-alkanes и огнеупорные остатки масла в качестве загрязнителей почвы. Были продемонстрированы процессы деградации окисления фентоном и процессами деградации окисления цеульфата, катализами, которые намагничены наземным магнетитом в почве (10). Исследования показали, что более сложные катализаторы железа (ii) превосходят просто используя порошкообразный магнетит в устранении до 90% загрязняющих веществ сырой нефти из почвы всего за семь дней, положительно по сравнению с только 15% удаления загрязняющих веществ для коммерчески полученного катализатора железа (11).

Использование Магнетита для облегчения загрязнения почв от промышленных и сельскохозяйственных стоков особенно ценится из-за отсутствия токсичности человека или животных. Другие промышленные побочные продукты, часто встречаемые в почвах, включают фенолы и связанные с ними ароматические углеводороды, удаление которых катализается магнетитовым порошком под ультрафиолетовым светом. Снижение от Fe3 "до Fe2" является ведущим объяснением каталитического процесса. Примечательно, что этот процесс не усиливается магнетитом в форме наночастиц (12). Фосфаты известны загрязняющих веществ в почвах, которые обычно происходят от выщелачивания из растений, обработанных NPK типа удобрений. Biochar является органическим материалом, производимым в результате сжигания мелких органических отходов, таких как гранулизированные сельскохозяйственные и лесные отходы - он часто смешивается в соли для повышения их свойств с точки зрения стабильности и органической доступности. Биоугол, покрытый порошкообразным магнетитом, был показан экспериментально - в лаборатории и в полевых условиях - для удаления избыточных фосфатов из почвы со скоростью 3,38 мг фосфата на грамм покрытого биоухара (13). Это представляет собой сокращение выщелачивания фосфатов примерно на две трети по сравнению с необработанной почвой.

площадь shutterstock_16867651
shutterstock_1286536336 площади

Магнетит и биологические пути в почве

Меланогенез является естественным явлением в аноксических почвах, который является заключительной стадией в разложении органического вещества - поэтому для формирования самой почвы. Этот процесс можно широко рассматривать как биологическую «фиксацию» двуокиси углерода и метанола в почву – оба они преобразуются с помощью бактериальных организмов в метан. Производимый метан составляет значительную долю накопленных накоплений природного газа. Недавние исследования в этой области исследовали добавки к уже существующей почве, которые могут ускорить путь метаногенеза - экспериментальные исследования в лаборатории добавили магнетит и гранулированный активированный углерод в микробные сообщества и показали, что магнетит увеличивает метаногенез (и, следовательно, производится метан) почти на 20%(14). Исследователи сообщили, что наличие магнетита активировало определенные функции активации генов.

Преобразование магнетита в магемит и другие оксиды железа

Магемит, γ-Fe2O3, образуется, когда магнетит подвергается воздействию температуры в области 350 - 400 градусов по Цельсию, или когда в условиях окисления. Некоторые естественно магнетит богатых почв может содержать умеренно-высокого количества магемита, таких, как те, которые находятся в тропическом климате. Магнетит не стабилен во влажных почвах в течение длительных временных рамок, превращаясь в магнемит (15).

Кроме того, магнетит может вреагировать с нитритами в почвах (16). Такие нитриты часто являются компонентами удобрений, и если магнетит присутствует подшипник Ионы Fe3 "в присутствии нитрита, он может удалить нитрат из почвы, в конечном итоге снижение его до оксида азота, а затем закиси азота газа, который покидает почву. Денитрификация почвы не является идеальной, поскольку она вызывает потребность в большем количестве азота, который будет зафиксирован в почве, согласно азотному циклу. В почвах, полученных из стеатита, магнетит может быть преобразован в гематит (17), во время формирования почвы.

Гематит в почвах

Как магнетит, гематит является оксидом железа и имеет формулу Fe2O3. Гематит не является магнитным, и поэтому не легко удаляется из почв, к которым он был добавлен. Это также может происходить естественно в почве.

Гематит является наиболее распространенным оксидом железа, присутствующим в земле, как таковой, он также является крупнейшим источником железа для производства железа/ стали. Латеритые почвы, богатые гематитом, часто используются в качестве компонентов в кирпичах и других строительных материалах в развивающихся странах, демонстрируя сильную красную окраску. Гематит также присутствует в баукситических почвах наряду с глиноземом, которые также являются основными компонентами в "красной грязи" - поток отходов из процесса Bayer (18).

почва, обогащенная магнетитовым порошком

Обработка загрязненных почв

Как и его двоюродный брат магнетит, гематит также является хорошей почвенной добавкой для удаления вредных или потенциально вредных загрязняющих веществ. Таким примером для гематита является снижение концентрации мышьяка в почвах, используемых для роста кукурузы. Кукуруза является одним из основных сельскохозяйственных продуктов, достигая миллиардов людей каждый день. Мышьяк токсичен для жизни человека, а также замедляет рост растений. Поэтому крайне важно удалить мышьяк из почвы. Одно исследование применяется от 0 до 0,2 веса% гематиновых наночастиц в загрязненной почве с содержанием мышьяка от 0 до 96 мгкг -1. Было установлено, что количество мышьяка поглощения в корни и листья кукурузных растений значительно сократилось, когда почва была обработана гематитом (19). Было установлено, что гематит «обездвиживает» мышьяк, предотвращая поглощение. При использовании в почвах, которые также с высоким содержанием глинозема, было установлено, что гематит является более эффективным при иммобилизации мышьяка (20).

Более широкое исследование посмотрел на последствия в целом гематита присутствует в мышьяке, содержащем почву на эффективность ставки бактерий настоящее время, и было установлено, что, когда грамм отрицательных бактерий Pseudomonas jinjuensis был использован в тестировании, наличие железа, содержащего соединения, такие как гематит увеличили активность бактерий на скромный - но заметный - 8%(21)

Гематит также используется как часть магнитного биоугля, образованного из него, и соснового дерева, который использовался для удаления мышьяка из почвы, и особенно полезен, так как биоугля с мышьяком может быть удален с помощью магнитов (22). В --Fe2O3 на гематите был мышьяк 'sponge'.

Другие потенциально опасные загрязняющие вещества в почвах включают хром - в том числе токсичный шестивалентный хром (хром-ви). Существуют методы для "фиксации" хрома в почве, чтобы предотвратить вымывание и / или выщелачивания, но подходы к обездвижить, а затем уменьшить хром (vi) были разработаны. Используя гематит обработанный биоухатрий (см. ранее для краткого введения в биоухарит), уменьшение хрома (vi) увеличилось с 28% до 39%(23). Биоугля с гематитом была особенно эффективна при иммобилизации хрома, когда присутствовала Pseudomonas putida - скорость высвобождения хрома из биоугля почвы была снижена более чем на 50%. Несвязанное исследование посмотрел на влияние присутствия гематита на скорость бактерий катализуется метамфетамин в красной грязи (24). Исследование показало, что производство метана увеличилось примерно на 35% в присутствии гематита по отношению к контролю, с многовалентными cations, предоставляемых гематита содействия формированию компактных агрегатов (тем самым увеличивая прочность почвы), а также позволяет более redox активных переводов.

Было показано, что фосфат и глифосат, компоненты удобрений и промышленные гербициды соответственно, адсорбируются в почве гематитом (25). Интересно, что, когда гематит гидратированных либо гетит или ферригидрит, адсорбция благоприятствует фосфат, в то время как негидратированный гематит способствует гербицида. Следует отметить, что глифосат является предполагаемым канцерогеном и токсичен для водной жизни - поэтому стоки должны быть сведены к минимуму. Остатки меди, кадмия и фосфора, как было показано, обрабатываются на рисовых полях, где почва была обработана гематитом - авторы отметили, что наличие оксида железа ограничивает общий потенциал редокса почвы, усиливает иммобилизацию Cu и Cd и снижает доступность фосфора в целом (26).

Выветривленная нефть/масло, содержащее почву, считается трудно исправить - это создает проблему, поскольку естественное разложение таких материалов в почве занимает значительные периоды времени, что позволяет потенциальное воздействие вредных материалов. Внешняя обработка наиболее тяжелых случаев возможна путем объединения пиролиза со смешанным углеродом и добавкой почвы верхнего слоя гематита. Исследования показали, что в лабораторных условиях, почва пиролин, с всего 5% гематита по весу удалось уменьшить количество асфальтенов, смол и полиароматических углеводородов на 68%, 52% и 67% соответственно (27).

почва, обогащенная порошком гематита

Гематит и гумические кислоты

Гуминовые кислоты представляют собой широкий класс органических соединений, собраваемых в перегное, основной компонент почвы. Удержание тяжелых металлов связано с концентрацией гумбиевой кислоты, особенно при рассмотрении гематита как метода удаления указанных тяжелых металлов. Гуминовая кислота адсорбции на гематит, как говорят, уменьшается с увеличением рН, с другими материалами координации преимущественно. Но, в этих системах, гуминовая кислота приводит к улучшению адсорбции тяжелых (и токсичных) металлов, таких как кадмий (19). Эти эффекты наблюдаются по-разному с тория в лабораторных испытаниях (20), где избыток гумновой кислоты не улучшить адсорбции тория гематита.

Почвенные добавки/железо дефицит почвы

Дефицит железа в почве может быть проблемой, которая глубоко влияет на растения. Как правило, это происходит, когда рН почвы превышает 6,5. Добавление железа в почву не является быстрым решением, если железо не является биологически доступным, то есть, в хелатизированной форме. Магнетит и гематит не являются биологически доступными и, таким образом, обработка почвы, содержащей растения, подозреваемые в нехватке железа, бесперспективна.

гематит порошок в виде скалы
магнетит порошок в виде руды

Консультирование по оксиду марганца

  • Гематит и магнетит являются оксидами железа, которые могут быть естественно найдены в почвах и/или добавлены к почвам
  • Эти оксиды железа дают себе свойства почв, включая долговечность (отсюда и их использование в строительных материалах) и часто интенсивную окраску
  • Они являются жизнеспособными почвенными добавками, которые могут удалять - или катализировать удаление - нежелательных загрязнителей почвы, таких как полиароматические углеводороды, масляные остатки, мышьяк и другие тяжелые металлы, включая кадмий
  • В некоторых случаях магнетит и гематит в почвах полезны для органического и/или биологического распада материалов в почве, в том числе с помощью метамфетаминогенеза
  • Содержание железа в почвах необходимо модулировать, чтобы гарантировать, что в результате стока в водотоки не возникнут проблемы, а также для обеспечения того, чтобы фиксация азота в почвах не была чрезмерно уменьшена

 

И гематит, и магнетит имеют множество применений в мире обработки и улучшения почвы. Решающее значение для их эффективности является обеспечение того, чтобы гематит и магнетит являются лучшим качеством, как поставляется - такие, как тот, который доступен из африканских Pegmatite, минеральных партнера.

coal_dust

Ссылки

1 С. Сюй и др.,Энв. Sci. Tech., 2016, 50, 2389

2 Даниэль Хиллель (прим. ), Энциклопедия почв в окружающей среде, Elsevier, Амстердам, 2005

3 А. М. Геттнер и др., J. Nanopart. Res., 2011, 13, 2387

4 Вуджин Ли и Билл Бэтчелор, Энвирон. Sci. Технол., 2002, 36, 5147

5 К. А. Горский и М. М. Шерер, Энвирон. Sci. Технол., 2009, 43, 3675

6 К.-К. Ким и др., Джей Геохем. Исследуите., 2012, 113, 124

7 W. Yang et al., Water Res., 2010, 44, 5693

8 З. Лян и Д. Чжао, Дж.Хаз. Матер., 2014, 271, 16

9 Д. Бараньяньо и др., Хим. Англ. Дж., 2020, 399, 125809

10 K. Ханна и др., Химиосфера, 2012, 87, 234

11 P. Faure et al., Топливо, 2012, 96, 270

12 Д. Вионе и др., Аппл. Катал. B: Окружающая среда, 2014, 154, 102

13 M. Riddle et al., Геодерма, 2018, 327, 45

14 Н.-Д. Парк и др., Топливо, 2020, 281, 118768

15 H. J.M. Моррес и др., Физика B Конд. материя, 2004, 354, 373

16. Дхакл и др., Энвирон. Sci. Технол., 2013, 47, 6206

17 Г.. Сантана и др., Р. Брас. Ке. Индивидуальные, 2001, 25, 33

18 E. Eiche, Арсений Мобилизационные процессы в дельте Красной реки,Вьетнам , КИТ Научное издательство, Карлсруэ, 2009

19 М. Р. Нейестани и др., Int. J. Env. Sci. Технологий., 2017, 14, 1525

20 Y. Чон и др., Хим. Англ. Процесс., 2007, 46, 1030

21 J. Чой и др., Вода, Воздух, Почва Опрос., 2020, 231, 411

22 B. Gao et al., Bioresource Tech., 2015, 175, 391

23 Р. Гасеми-Фасаи и др., Комм. Почва Sci. Завод анальный., 2020, 51, 963

24 С. Чжоу и др., Вода Res., 2018, 134, 54

25 А. Л. Гимсинг и О. К. Борггаард, Клейс Клей Майнер., 2007, 55, 108

26 Дж.Чжоу и др., Sci. Всего Env., 2020, 708, 134590

27 Ф. Ма и др., J. Азар. Матер. 2020, 383, 121165
28 А.. Дэвис и В. Бхатнагар, Химиосфера, 1995, 30, 243

29 В. Мулен и др., Энвирон. Sci. Технол., 2005, 39, 1641