测量土壤的总自由铁H₂化学吸收作用和与柠檬酸碳酸氢盐亚硫酸氢的方法

文摘

自由铁的一个主要分析项目土壤基本性质。这也是了解土壤的起源的一个重要指标,土壤分类和土壤分布行为。在这项研究中,另一种分析方法(化学吸收作用)提出了基于热力学知识测量总自由铁氧化物的土壤。几个具有代表性的土壤样本属于湿润,老成土,始成,和新成土收集来自台湾由化学吸收作用和测试,和估计的总自由铁氧化物与测量从传统柠檬酸碳酸氢盐亚硫酸氢(CBD)方法。实验结果表明,最佳工作温度被发现在773 K和一氧化碳(CO)是最好的气态试剂促进菲斯的形成。估计总土壤样品免费铁氧化物的化学吸收作用的公司从CBD技术非常接近。回归的结果表明估计的总自由铁强烈与CBD-Fe内容()的有限公司

1。介绍

铁是第三个最大的土壤中金属元素。土壤中的铁含量可能不同一至几百克每千克取决于父母的类型材料。有16个铁氧化物、氢氧化物氧化和氢氧化物迄今为止已知的环境中。在这些铁氧化物、铁₂O₃(α和γ形式)、铁₃O₄和FeOOH (α和γ形式)感兴趣的和最具吸引力的关注由于其分布在土壤和行业。赤铁矿,α菲₂O₃,是最古老的氧化铁和土壤和岩石中普遍存在。赤铁矿层由八面体FeO说₆由边缘相连,face-sharing和垂直于不利c方向。磁铁、铁₃O₄,是一种尖晶石结构组。这种类型的铁氧化物与其他铁氧化物的不同之处在于,它含有二价铁和三价铁。其公式写成Y (XY) O₄X =铁(II), Y =铁(III),括号表示八面体的网站。的结构由八面体和四面体和八面体混合层堆叠(1,1,1)方向。针铁矿,α-FeOOH,由HCP数组O²⁻噢,⁻沿(1,0,0)堆叠方向与铁(III)离子占据一半的八面体间隙在一层。它是最常见的土壤中氧化铁由于其热力学稳定性高。纤铁矿,γ-FeOOH,层状化合物。数组的结构由CCP阴离子(O²⁻/哦⁻)堆放在(0 5 1)方向与铁(III)离子占据八面体间隙。像针铁矿、纤铁矿由双链铁(O,哦)₆八面体平行运行c设在。

在土壤科学、铁物种通常可以分为几组,包括有机边界铁、无定形铁、铁、自由和总铁。自由铁被定义为铁涂层/吸附表面的土壤,但不包括晶格结构的土壤。基本的土壤分析,免费铁是主要分析项目,因为它是理解土壤的起源的一个重要指标,土壤分类和土壤分布行为(1,2]。例如,非晶态铁和自由铁的比值是一个重要的指标来区分土层的风化程度。黛比是最早使用亚硫酸氢钠测量自由(土壤中氧化铁的含量3]。最近,一系列的修改程序了,报道在过去的十年里4- - - - - -8]。在报道提取过程中,柠檬酸碳酸氢盐亚硫酸氢(CBD)方法被认为是最常用的测定过程总自由铁氧化物在土壤或沉积物的9]。此外,赤铁矿、针铁矿、纤铁矿、水铁矿,非结晶的铁以及organic-complexed铁可以索求CBD的过程。不幸的是,高钠盐含量在CBD提取不仅会导致严重的遗留效应还会堵塞燃烧器头部在原子吸收光谱法(AAS)的分析。愿望去离子水或稀酸样品之间的长时间因此需要准确的分析。为了克服这些缺点,另一种分析方法开发和评估总自由铁含量的测定土壤的研究。另一方面,一系列的铁氧化物和H之间的反应₂年代是实验进行高温之间的高反应活性,结果表明,铁氧化物和H₂年代在我们之前的文献[10- - - - - -12]。因此,本研究的主要目的是确定的总自由铁化学吸收作用方法内容基于热力学知识。此外,一系列的实验因素也考虑和测试,以找出最优的结果。

2。实验

2.1。土壤采样和治疗

6个土壤订单开发在不同父母总氧化铁材料广泛的内容被选中代表测试样本在这个研究。取样后,多余的材料,如叶子和小石子从土壤被移除,然后在环境温度下干了一个星期。使用之前,土壤样本地面玛瑙研钵和筛子通过50-mesh筛获得获得粒度(约0.296毫米)。

2.2。土壤样品分析

土壤属性组成的自由铁氧化物,土壤pH值、有机物、土壤质地以及阳离子交换能力考虑在内。粒度分布是通过吸管法去除碳酸盐后,有机物,MnO₂。碳酸盐岩是被1 M NaOAc与pH值= 5 60°C和有机物,MnO₂消化30% H₂O₂(13]。土壤pH值测量的混合1:1土壤/去离子水由玻璃电极(14]。有机质含量是由Walkley-Black湿氧化法(15]。阳离子交换量(CEC)是由醋酸铵法(16]。

2.3。柠檬酸碳酸氢盐亚硫酸氢过程(CBD过程)

柠檬酸的碳酸氢盐亚硫酸氢(CBD)过程是一个被广泛接受的萃取方法测定总自由铁(17]。提取过程描述如下:(我)体重0.5克干和土壤渗到100毫升聚丙烯离心管(2)添加40毫升0.3柠檬酸钠和5毫升1 M碳酸钠(3)加热混合物在80°C水浴30分钟(iv)亚硫酸氢钠的添加0.5克热悬挂和经常搅拌10分钟(v)加10毫升钠饱和氯化钠和10毫升丙酮增强絮凝(vi)冷却到环境温度后,混合物在3500 rpm的离心10分钟,并悬挂被抽走到200毫升容量瓶固体残渣用蒸馏水洗净,步骤(2),(vi)系统地重复确认自由铁完全提取。然后暂停添加到先前的容量瓶和过滤,0.2μ聚四氟乙烯过滤器和悬挂总额由150毫升。过滤后的悬架进行了分析和原子吸收光谱法测定铁。每个样品重复测量进行了。

2.4。元素分析

贺利氏CHNOS Elementar不同的EL三世快速F002,配备一个flash燃烧炉和热导检测器,用于硫的决心。

2.5。试剂

在这项研究中使用的化学试剂都是获得从丙烯酰胺和奥尔德里奇和ACS的品位。

2.6。实验配置和设计

化学吸收作用实验床反应器中进行。在这项研究中使用的所有气体是从调节气缸准备的。准备两套气体实验。混合气体中含有50%的公司和1%的H₂N S和平衡₂,另一个包含50%的H₂和1% H₂N S和平衡₂。气体流速监测通过质量流量控制器。所有质量流量控制器是由一个红外监控准确肥皂泡计和所有物种的浓度计算在标准温度和压力的状况。反应堆由一个石英管,1.6厘米身份证。,2.0厘米的外径。,和150 cm long, located inside an electric furnace. Quartz fibers were set in the reactor in order to support samples. Two K-type thermocouples were inserted exactly into the reactor near the positions on the top and bottom of the samples packing to measure and control the inlet and outlet temperatures. Prior to entering the reactor, the gases were conducted in a mixing pipe to confirm that the mixture gas was turbulent flow. Approximately 3 g of soil sample was weighted and placed into the quartz-made reactor. Before experiment proceeding, a pure nitrogen gas (purity 99.99%) was fed into the reactor for 30 minutes at 573 K in order to remove adsorbed water and impure materials coated on the surface of soil samples. In addition, blank experiments were also executed under the same conditions and verified that no reaction was taking place anywhere between H₂年代和线/反应堆。进口和出口浓度的H₂年代是由在线气相色谱仪分析配备火焰光度检测器。六端口采样0.5毫升采样循环用于样品的进口和出口浓度H₂美国实验时解除出口H₂年代浓度从反应堆靠近入口浓度的H₂美国图1显示了典型的突破曲线来源于实验研究中。当含有50%的混合气体有限公司(或H₂)和1% H₂N S和平衡₂引入一个反应堆,H的出口浓度₂年代系统地记录下来。预计出口浓度的H₂年代接近零由于完整的反应与自由铁。代表计划所示的反应(1)- (4(结果与讨论部分所示)。当H之间的反应₂年代和自由铁建成,H₂可以很明显发现。一个突破曲线可以通过策划H₂年代废水浓度和反应时间和时间的切入点定义为突破时间。在这项研究中,突破时间被定义为从一开始的反应出口H₂年代浓度达到100 ppm。的基础上,突破时间和质量流率的H₂年代,硫容量可以准确地确定,因此总自由铁估计的内容。

3所示。结果与讨论

两个截然不同的吸附机制的讨论是物理吸附(物理吸附)和化学吸收作用(化学吸附)。物理吸附,也被称为范德华力,涉及气体分子之间弱键和固体。化学吸收作用是吸附的分类特点是一个强大的表面吸附物和基质之间的相互作用,而不是物理吸附的特点是一个弱的范德华力。两者的区别是很困难的,这是传统接受大约是0.5 eV每个原子或分子的结合能。强相互作用的类型包括离子或共价化学键的变化,取决于所涉及的物种。与物理吸附机理、化学吸收作用的另一个特色是,只有一个单分子层吸附介质上的吸附物出现。这种效果是由于极短距离的价部队吸附剂的吸附物是有效的。基于化学吸收作用机制,提出了完全免费的铁氧化物被认为与H反应₂年代和固相产品硫化亚铁。假设反应免费铁氧化物和H₂描述如下: 实验进行前,热力学计算模拟上述反应。图2说明了平衡常数作为温度的函数对铁氧化物的反应和H₂在公司和H的存在₂。请注意,铁的反应的平衡常数₃O₄和H₂比铁更有利₂O₃和H₂年代,这意味着菲斯的形成从铁很容易实现₃O₄在公司的存在和H₂。另一方面,平衡常数较高的公司的存在,而较低的平衡常数可以观察到在H₂。在此基础上观察,预计公司可能是一个更好的气态试剂促进菲斯的形成和一个更好的估计总自由铁将这一研究获得的。

是非常重要的发现最优操作温度对化学吸收作用,因为它是管理的关键反应的整体性能之间自由铁氧化物和H₂在这个系统。一般来说,低温度不能达到所需的性能,而高温会导致实验设备成本的增加。如表所示1,Loupi系列内容的CBD-Fe最高代表样本。因此,Loupi系列被选为候选人筛选最优操作温度。一系列的温度从673到973 K和H的50%₂和1% H₂年代进行,实验结果见表2。突破时间增加,操作温度和最佳操作温度被发现在723 - 823 K的温度范围。此外,注意低温和高温不是最好的操作温度在这个研究。低温反应不能提供足够的能量(1)和(2)。另一方面,在高温下,铁氧化物很容易减少FeO说在强还原气氛。FeO说导致较弱的键的形成与H₂年代相比菲斯菲₂O₃。为了确认后硫反应的存在,反应土壤样本评估通过一个EA分析仪。实验结果表明,硫内容决定从突破时间在不同的温度下由EA接近这些分析,这表明优秀的硫回收所有操作温度。颜色的变化Loupi前后土样化学吸收作用是显示在图3。化学吸收作用后,土壤的颜色立刻变成了黑色的。这意味着铁氧化物的反应机制和H₂基于反应(1)和(2)。表3显示操作温度对硫的影响能力和估计总自由铁氧化物Loupi土样的CO和H₂美国公司和H也观察到类似的结果₂。最佳工作温度似乎在723 - 823 K的温度范围。低或高温度没有达到最优的性能。估计的总自由铁氧化物相比,来自H的存在₂公司,它可以发现最好的最高工作温度控制在773 K,估计总自由铁氧化物。估计的总自由铁氧化物铁氧化物非常接近CBD-extracted总有空的情况下出现在773 K。得出的操作温度773 K和有限公司是本研究的最佳操作条件。因此,6个土壤样本被疏散,以确定他们的总自由铁氧化物在773 K公司的存在和H₂,分别。如表所示4和5的硫平衡各种土壤样本中发现的88 - 102%范围的实验条件下50% H₂和1% H₂年代和更好的硫平衡(94 - 103%)可以观察到有限公司50%和1%的H₂美国估计的总自由铁氧化物是低于从CBD的实验方法获得50%的H₂和1% H₂s .另一方面,估计总自由铁氧化物的实验确定有限公司50%和1%的H₂S是接近CBD的土壤样品进行测试。估计总Taikon自由铁氧化物,Kuiren, Wukuiliao,和Houli几乎是对应于CBD方法,这意味着化学吸收作用是一个潜在的技术来确定总自由铁氧化物在土壤和有限公司是最佳的候选人取得更好的实验结果在这个研究。

图4显示之间的回归关系CBD-Fe内容和估计的总自由铁六个土壤样本有限的实验条件下和H₂。这两种气体具有很好的关系值分别为0.999和0.986,这表明他们是一个合适的试剂来确定总自由铁的土壤。

4所示。结论

一个氢₂年代基于热力学知识提出了化学吸收作用方法测量土壤的总自由铁氧化物。几个具有代表性的土壤样本收集来自台湾和可行性评估测量的总自由铁氧化物。实验结果表明,最佳工作温度被发现在所有土壤样品773 K。也发现一氧化碳(CO)是最好的气态试剂促进菲斯的形成。估计总土壤样品免费铁氧化物的化学吸收作用的公司从CBD技术非常接近。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究的部分赞助由安溪茶学院的科学,福建农业和林业大学。作者感谢陈瑶朱棣文博士期间她的许多宝贵的意见和批评这项工作。

引用

1. 惠普布卢姆和诉Schwertmann遗传评估剖面分布的铝、铁和锰氧化物、”美国土壤科学学会,诉讼,33卷,不。3、438 - 444年,1969页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. j . a . McKeague和j·h·天,“连二亚硫酸盐,oxalate-extractable Fe和艾尔艾滋病区分各种类型的土壤,“加拿大的土壤科学》杂志上,46卷,不。1,13-22,1966页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. b . c . Deb,”自由铁氧化物在土壤和粘土的估计及其消除,”土壤科学杂志》,1卷,不。2、212 - 220年,1950页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. b·d·米切尔和r·c·麦肯齐”,从粘土去除游离氧化铁。”土壤科学,卷77,不。3、173 - 184年,1954页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. b·d·米切尔,b·f·l·史密斯和a . s . De Endredy“缓冲亚硫酸氢钠溶液的影响,超声搅拌对土壤粘土、”以色列化学杂志,9卷,不。1,45-52,1971页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. n .级t . jarm s Chabrillat c . Oyonarte p . Hostert h·考夫曼,“自由地中海土壤中氧化铁的决心使用漫反射光谱,”美国土壤科学学会杂志》上,卷73,不。1,第81 - 72页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 问:刘,j .洪流诉巴伦,z段,和j . Bloemendal”量化赤铁矿的可见光谱漫反射率:铝替代和颗粒形态的影响,“粘土矿物,46卷,不。1,第147 - 137页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. t . Grygar j . Dědeček, d . Hradil”分析低浓度的自由铁氧化物在粘土VIS漫反射光谱学和伏安法”一般Carpathica,卷1,1 - 7,2002页。视图:谷歌学术搜索
9. r·l·帕菲特和c w•蔡尔兹”形式的铁和铝的估计:审查,穆斯堡尔光谱仪分析和分析对比土壤的解散和方法,“澳大利亚土壤研究杂志》上,26卷,不。1,第144 - 121页,1988。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. L.-C。黄和郭宏源。Ko,”可行性的应用Cu-contaminated土壤的热煤气H2S,”材料交易卷,56号3、445 - 449年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 郭宏源。Ko,“Zn-contaminated土壤中的应用:可行性研究的H₂从热煤成气。”环境化学信,9卷,不。1,第82 - 77页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 郭宏源。Ko, M.-H。施,H.-T。松林,“光谱研究zinc-contaminated土壤锌物种形成的决心,“Spectrochimica学报:分子和生物分子光谱学,卷66,不。2、442 - 447年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. g . w .哎呀和j·w·波特“粒度分析,”土壤分析的方法;第一部分,页383 - 412,美国社会的农艺、Madson,愿望,美国,第二版,1986年版。视图:谷歌学术搜索
14. e·o·麦克莱恩,“土壤pH值和酸橙的要求,”土壤分析的方法。第二部分,a . l .页面,r·w·米勒和d·r·基尼Eds。,pp. 199–224, American Society of Agronomy, Madson, Wish, USA, 2nd edition, 1982.视图:谷歌学术搜索
15. d . w . Nelson和l·e·萨默”总碳、有机碳和有机物质,”土壤分析的方法。第二部分,a . l .页面,r·w·米勒和d·r·基尼Eds。,pp. 539–577, American Society of Agronomy, Madson, Wish, USA, 2nd edition, 1982.视图:谷歌学术搜索
16. j·d·罗迪斯“阳离子交换容量”土壤分析的方法。第二部分,a . l .页面,r·w·米勒和d·r·基尼Eds。,pp. 149–157, American Society of Agronomy, Madson, Wis, USA, 2nd edition, 1982.视图:谷歌学术搜索
17. 共和党用m·l·杰克逊,“铁氧化物从土壤和黏土由柠檬酸亚硫酸氢系统和碳酸氢钠缓冲,”粘土和粘土矿物7卷,第327 - 317页,1960年。视图:谷歌学术搜索

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