土壤中納米尺度氧化鐵的多樣性和環境磁學效應機理

《土壤中納米尺度氧化鐵的多樣性和環境磁學效應機理》是依託浙江大學，由盧升高擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：土壤中納米尺度氧化鐵的多樣性和環境磁學效應機理
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：盧升高
• 項目類別：面上項目

項目摘要

納米氧化鐵是環境納米顆粒中最重要的組成分，研究納米氧化鐵是理解許多土壤過程和機理的重要途徑。項目圍繞土壤中納米尺度氧化鐵，開展環境納米物質表征和環境過程研究的方法體系、納米氧化鐵的磁回響規律和磁學機理、納米氧化鐵與土壤環境過程相互作用等科學問題，系統研究土壤中納米氧化鐵的顆粒大小、形貌、礦物相和化學組成，闡明土壤中納米氧化鐵的多樣性特性和形成機制；研究土壤中納米氧化鐵的磁學性質和磁性與顆粒大小的相互關係，闡明土壤納米磁性顆粒作為環境變化信息載體的科學依據；研究土壤中納米氧化鐵的空間分異規律和成土過程中納米氧化鐵形成機制，闡明土壤納米氧化鐵與土壤性質和過程相互作用的基本理論。研究結果將建立環境納米顆粒表征和環境行為研究的技術體系，為環境納米技術研究提供新手段；揭示納米氧化鐵控制和影響土壤環境過程的科學理論，為開發納米氧化鐵修復污染環境提供理論依據；建立環境納米磁學，完善和發展環境磁學理論。

結題摘要

項目主要研究內容包括土壤中納米氧化鐵的表征，土壤中納米氧化鐵的磁性與回響機理，土壤中納米氧化鐵多樣性的形成機制。項目按計畫完成了上述內容，獲得了預期的實驗數據和結果。項目套用高分辨透射電鏡結合X射線能譜(HRTEM/EDS)、XRD、岩石磁學、同步輻射和化學選擇性溶解等技術，對土壤中納米尺度氧化鐵的顆粒大小、形狀、粒度分布、化學組成和礦物相進行了表征。土壤中的納米顆粒主要由三種形態組成：納米顆粒、納米片和納米棒，水稻土中存在粒徑平均為3.6 nm，大小十分均一的納米水鐵礦，Fe/O為1:4，證明了土壤中納米礦物(nanomineral)的存在。XRD和岩石磁學分析表明亞熱帶強磁性土壤中的納米尺度氧化鐵組成主要是磁赤鐵礦和赤鐵礦，Ms-T曲線表明在310-320度和570-580度存在磁赤鐵礦和磁鐵礦的居里點溫度，VFTB測定磁滯參數Mrs/Ms和Hcr/Hc值作成的Day圖判斷土壤中磁性氧化鐵顆粒為超順磁性(PSD)顆粒，證明了超順磁性礦物(粒徑20-30 nm)是土壤磁性增強的主要載體，它們主要以高嶺石-氧化鐵和高嶺石-三水鋁石-氧化鐵組合形式存在。DCB(Dithionite-citrate-bicarbonate)、CB和Tamm(acid-oxalate)溶液的比較試驗，結合提取前後的XRD和岩石磁學礦物驗證，證明了2次連續DCB提取可區分成土起源SP顆粒，DCB處理後的磁化率損失量與絕對頻率磁化率反映的SP顆粒有良好的相關性。同步輻射螢光分析等技術對鐵錳結核的礦物和元素分布分析，發現鐵錳結核中Fe和Co兩種元素有強烈的耦合關係，而Mn元素和Cu、Ni、Zn、V、Ca等存在強烈的耦合關係。水稻土有更為複雜的k-T曲線，出現多個峰值，表明了水稻土中的無定形氧化鐵在有機質存在下的高溫轉變過程。水稻土滲育層土壤存在針鐵礦、赤鐵礦和磁鐵礦/磁赤鐵礦，認為鐵在還原條件下迅速還原為Fe2+，在氧化條件下Fe2+迅速沉澱可成形成結晶度較低的大小在幾十納米的納米礦物。研究初步建立了表征土壤中納米物質特性和行為的方法體系，明確了土壤中納米氧化鐵的顆粒大小、形態、礦物相、化學組成和形成機制，為土壤納米顆粒表征和環境行為等重要科學問題研究提供了新思路和新方法，揭示了納米磁性氧化鐵的土壤磁性增強機制，為建立和發展環境納米磁學提供了理論依據。