酸性条件下八种典型颗粒物的铁溶解特征

来源 :中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:fuyunyang1
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铁是生命所必需的重要微量营养元素。在高营养盐低叶绿素海域,海洋中可溶性铁浓度限制了浮游植物的新陈代谢和种群丰度,进而影响海洋初级生产力和全球碳循环。只有可溶性的铁能够被生物利用。然而,由于气溶胶中铁的可溶性具有较大的不确定性,定量解释实际大气向海洋输入可溶性铁的浓度水平存在很大困难。颗粒物在传输过程中可能与酸性气体(SO2、NOx、小分子有机酸等)发生大气化学反应,使铁的可溶性显著提升,因此不少学者对此过程开展了实验室模拟。然而,以往研究采用溶解度、浓度等多种方式描述铁可溶性,不同实验室设定的反应条件存在较大差异,造成同行间结果比较存在困难。针对以上问题,本研究选取了赤铁矿、针铁矿、伊利石、蒙脱石、洛川黄土、亚利桑那沙尘及两种煤飞灰(GBW08401、CFA2691)为研究对象,探究了不同酸度(pH=2或3)、有机酸种类(乙酸盐、草酸盐)及草酸盐浓度(0.5、1、2和4 mmol/L)对铁可溶性的影响,获得了一套较为全面的铁可溶性参数集。此外,本研究还对比了不同颗粒物铁可溶性差异,并结合颗粒物比表面积和粒径、铁元素的存在形态及矿物组成进行解释。主要结论如下:(1)pH对赤铁矿铁可溶性有重要影响。当pH升高一个单位时,反应48 h后,赤铁矿的铁可溶性从0.43±0.06%(pH=2)降至不足0.01%(pH=3),质子促进溶解效率显著降低。比较不同有机酸对铁可溶性影响,发现加入乙酸盐对铁溶解无促进作用,而加入草酸盐溶液后铁可溶性显著增加,且赤铁矿铁可溶性与加入草酸盐浓度(0-4 mmol/L)呈正相关。当pH=3时,在含有2 mmol/L草酸盐的溶液中,赤铁矿铁可溶性与pH=2时相比降了55.3%。表明pH值升高直接抑制质子促进溶解、间接抑制络合促进溶解效率。(2)在pH=2的硫酸溶液中反应48 h后,铁可溶性大小:美国煤飞灰CFA2691(43.72±6.56%)>中国黄土LC(12.58±0.76%)>亚利桑那沙尘ATD(5.03±0.43%)>中国煤飞灰GBW08401(3.03±0.27%)>伊利石(2.18±0.14%)>针铁矿(1.68±0.18%)>赤铁矿(0.43±0.06%)>蒙脱石(0.20±0.08%)。整体表现为煤飞灰>沙尘颗粒物>黏土矿物≈铁(氢)氧化物。随着加入浓度增加(0.5-2 mmol/L),草酸盐对铁可溶性促进作用:铁(氢)氧化物>黏土矿物,沙尘>煤飞灰。可能原因是黏土矿物和煤飞灰中绝大部分可溶性铁在质子促进溶解作用下已经溶出,因此络合促进溶解作用并不显著。而铁(氢)氧化物和沙尘则不同,草酸盐浓度越高,络合促进溶解能力越强。(3)我们进一步分析了八种含铁颗粒物的铁可溶性(pH=2,H2SO4,48 h)与它们粒径、比表面积的相关性,结果表明铁可溶性与粒径、比表面积并无相关性关系。此外,颗粒物的矿物组成并不能合理解释不同来源颗粒物中铁可溶性的差异。但本研究发现铁可溶性与铁元素存在形态有明显的相关关系,即无定形铁占总铁比例越高,铁的可溶性越高。沙尘中铁可溶性显著高于铁(氢)氧化物和黏土矿物,是因为酸性条件下无定形铁是可溶性铁的重要来源。结合碳酸盐铁提取结果,本研究发现碳酸盐铁含量:美国煤飞灰(54.2±3.8%)>洛川黄土(10.3±0.2%)>ATD(4.9±0.0%)>中国煤飞灰(2.9±0.2%),与铁可溶性结果非常吻合,说明强酸性条件下,碳酸盐铁是可溶性铁的重要来源。
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