土壤中纳米尺度氧化铁的多样性和环境磁学效应机理

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
40971131
项目类别：
面上项目
资助金额：
40.0万
负责人：
卢升高
依托单位：
浙江大学
学科分类：
D0709.基础土壤学
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
傅莉霞；史一鸣；王虹艳；郭军玲；马荣辉；朱蕊；
关键词：
成土作用土壤纳米颗粒环境纳米磁学氧化铁

项目摘要

纳米氧化铁是环境纳米颗粒中最重要的组成分，研究纳米氧化铁是理解许多土壤过程和机理的重要途径。项目围绕土壤中纳米尺度氧化铁，开展环境纳米物质表征和环境过程研究的方法体系、纳米氧化铁的磁响应规律和磁学机理、纳米氧化铁与土壤环境过程相互作用等科学问题，系统研究土壤中纳米氧化铁的颗粒大小、形貌、矿物相和化学组成，阐明土壤中纳米氧化铁的多样性特性和形成机制；研究土壤中纳米氧化铁的磁学性质和磁性与颗粒大小的相互关系，阐明土壤纳米磁性颗粒作为环境变化信息载体的科学依据；研究土壤中纳米氧化铁的空间分异规律和成土过程中纳米氧化铁形成机制，阐明土壤纳米氧化铁与土壤性质和过程相互作用的基本理论。研究结果将建立环境纳米颗粒表征和环境行为研究的技术体系，为环境纳米技术研究提供新手段；揭示纳米氧化铁控制和影响土壤环境过程的科学理论，为开发纳米氧化铁修复污染环境提供理论依据；建立环境纳米磁学，完善和发展环境磁学理论。

结项摘要

项目主要研究内容包括土壤中纳米氧化铁的表征，土壤中纳米氧化铁的磁性与响应机理，土壤中纳米氧化铁多样性的形成机制。项目按计划完成了上述内容，获得了预期的实验数据和结果。项目应用高分辨透射电镜结合X射线能谱(HRTEM/EDS)、XRD、岩石磁学、同步辐射和化学选择性溶解等技术，对土壤中纳米尺度氧化铁的颗粒大小、形状、粒度分布、化学组成和矿物相进行了表征。土壤中的纳米颗粒主要由三种形态组成：纳米颗粒、纳米片和纳米棒，水稻土中存在粒径平均为3.6 nm，大小十分均一的纳米水铁矿，Fe/O为1:4，证明了土壤中纳米矿物(nanomineral)的存在。XRD和岩石磁学分析表明亚热带强磁性土壤中的纳米尺度氧化铁组成主要是磁赤铁矿和赤铁矿，Ms-T曲线表明在310-320度和570-580度存在磁赤铁矿和磁铁矿的居里点温度，VFTB测定磁滞参数Mrs/Ms和Hcr/Hc值作成的Day图判断土壤中磁性氧化铁颗粒为超顺磁性(PSD)颗粒，证明了超顺磁性矿物(粒径20-30 nm)是土壤磁性增强的主要载体，它们主要以高岭石-氧化铁和高岭石-三水铝石-氧化铁组合形式存在。DCB(Dithionite-citrate-bicarbonate)、CB和Tamm(acid-oxalate)溶液的比较试验，结合提取前后的XRD和岩石磁学矿物验证，证明了2次连续DCB提取可区分成土起源SP颗粒，DCB处理后的磁化率损失量与绝对频率磁化率反映的SP颗粒有良好的相关性。同步辐射荧光分析等技术对铁锰结核的矿物和元素分布分析，发现铁锰结核中Fe和Co两种元素有强烈的耦合关系，而Mn元素和Cu、Ni、Zn、V、Ca等存在强烈的耦合关系。水稻土有更为复杂的k-T曲线，出现多个峰值，表明了水稻土中的无定形氧化铁在有机质存在下的高温转变过程。水稻土渗育层土壤存在针铁矿、赤铁矿和磁铁矿/磁赤铁矿，认为铁在还原条件下迅速还原为Fe2+，在氧化条件下Fe2+迅速沉淀可成形成结晶度较低的大小在几十纳米的纳米矿物。研究初步建立了表征土壤中纳米物质特性和行为的方法体系，明确了土壤中纳米氧化铁的颗粒大小、形态、矿物相、化学组成和形成机制，为土壤纳米颗粒表征和环境行为等重要科学问题研究提供了新思路和新方法，揭示了纳米磁性氧化铁的土壤磁性增强机制，为建立和发展环境纳米磁学提供了理论依据。