Оксиды металлов в почвах: влияние гематита и магнетита

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 почве

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).

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. Фентон-как перекись и персульфат окисления процессы деградации катализом наземным магнетом в почве были продемонстрированы (8). Исследования показали, что более сложные катализаторы железа (ii) превзносятся, просто используя порошкообразный магнетит в устранении до 90 загрязнительных веществ сырой нефти из почвы всего за семь дней, благоприятно по сравнению с только 15 из загрязняющих веществ удаления для коммерчески полученных катализатора железа (9).

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, наистовым в форме наночастиц (10).

площадь shutterstock_16867651
shutterstock_1286536336 площади

Превращение магнетита в маггемит и другие оксиды железа

Магемит, No-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 (11).

Кроме того, магнетит может вскакиваться с нитритами в почвах (12). 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 (13), во время образования 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 боксичных почвах наряду с глиноземом, которые также являются основными компонентами в "красной грязи" - потокотходов из процесса Bayer (14).

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 между 0 и 0,2 наночастицы гематита веса к загрязненной почве с содержанием мышьяка между 0 и 96 мг/кг. Было установлено, что количество мышьяка поглощения в корни и листья кукурузных растений было значительно сокращено, когда почва была обработана гематитом (15). 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 (16). Гематит также был использован как часть магнитного биоугля, образованного из него и сосны, который был использован для удаления мышьяка из почв, и особенно полезен, как мышьяк загруженный биоуголь гематита может быть удален с помощью магнитов (17). В --Fe2O3 на гематите был мышьяк 'sponge'.

Фосфат и глифосат, компоненты удобрений и промышленных гербицидов соответственно, были показаны, что адсорбируется в почве гематитом (18). 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.

почва, обогащенная порошком гематита

Гематит и гуминовые 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 / почва с дефицитом железа

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

Резюме

  • 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 с потенциалом для удаления - или катализатора удаления - нежелательных почвенных загрязнителей, таких как мышьяк и другие тяжелые металлы
  • 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
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 K. Hanna et al., Chemosphere, 2012, 87, 234

9 P. Фор и др., Топливо, 2012, 96, 270

10 D. Vione et al., Аппл. Катал. B: Окружающая среда, 2014, 154, 102

11 Х. М. Моррес и др.,Физика Б Конд. Материя, 2004, 354, 373

12. Дакал и др., Энвирон. Sci. Технол., 2013, 47, 6206

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

14 E. Eiche, процессы мобилизации мышьяка в дельте Красной реки, Вьетнам, КИТ Научное издательство, Карлсруэ, 2009

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

16 Y. Чжон и др., Хим. Англ. Процесс., 2007, 46, 1030

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

18 А. Л. Гимсинг и О. К. Борггаард, Клей Клей Шахтер., 2007, 55, 108
19 А.. Дэвис и В. Бхатнагар, химиотерапия, 1995, 30, 243

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