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黏土矿物中还原途径依赖性的反应性 Fe(II) 中心的形成。

Reduction Pathway-Dependent Formation of Reactive Fe(II) Sites in Clay Minerals.

机构信息

School of Engineering, Newcastle University, Cassie Building, Newcastle upon Tyne NE1 7RU, United Kingdom.

Illinois State Geological Survey, Prairie Research Institute, University of Illinois at Urbana-Champaign, Champaign, Illinois 61820, United States.

出版信息

Environ Sci Technol. 2023 Jul 18;57(28):10231-10241. doi: 10.1021/acs.est.3c01655. Epub 2023 Jul 7.

DOI:10.1021/acs.est.3c01655
PMID:37418593
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10357582/
Abstract

Structural Fe in clay minerals is an important, potentially renewable source of electron equivalents for contaminant reduction, yet our knowledge of how clay mineral Fe reduction pathways and Fe reduction extent affect clay mineral Fe(II) reactivity is limited. Here, we used a nitroaromatic compound (NAC) as a reactive probe molecule to assess the reactivity of chemically reduced (dithionite) and Fe(II)-reduced nontronite across a range of reduction extents. We observed biphasic transformation kinetics for all nontronite reduction extents of ≥5% Fe(II)/Fe(total) regardless of the reduction pathway, indicating that two Fe(II) sites of different reactivities form in nontronite at environmentally relevant reduction extents. At even lower reduction extents, Fe(II)-reduced nontronite completely reduced the NAC whereas dithionite-reduced nontronite could not. Our Fe Mössbauer spectroscopy, ultraviolet-visible spectroscopy, and kinetic modeling results suggest that the highly reactive Fe(II) entities likely comprise di/trioctahedral Fe(II) domains in the nontronite structure regardless of the reduction mechanism. However, the second Fe(II) species, of lower reactivity, varies and for Fe(II)-reacted NAu-1 likely comprises Fe(II) associated with an Fe-bearing precipitate formed during electron transfer from aqueous to nontronite Fe. Both our observation of biphasic reduction kinetics and the nonlinear relationship of rate constant and clay mineral reduction potential have major implications for contaminant fate and remediation.

摘要

粘土矿物中的结构 Fe 是一种重要的、潜在可再生的电子当量源,可用于污染物还原,但我们对粘土矿物 Fe 还原途径和 Fe 还原程度如何影响粘土矿物 Fe(II)反应性的了解有限。在这里,我们使用硝基芳烃化合物 (NAC) 作为反应探针分子,在一系列还原程度下评估化学还原(连二亚硫酸盐)和 Fe(II)还原的非绿脱石的反应性。我们观察到所有非绿脱石还原程度≥5%Fe(II)/Fe(总)的两相转化动力学,无论还原途径如何,这表明在环境相关的还原程度下,非绿脱石中形成了两种具有不同反应性的 Fe(II)位。在还原程度更低的情况下,Fe(II)还原的非绿脱石完全还原了 NAC,而连二亚硫酸盐还原的非绿脱石则不能。我们的 Fe Mössbauer 光谱、紫外可见光谱和动力学模型结果表明,无论还原机制如何,高反应性的 Fe(II)实体可能包含非绿脱石结构中的二/三配位 Fe(II)域。然而,反应性较低的第二种 Fe(II)物种不同,对于 Fe(II)反应的 NAu-1,它可能包含与在从水相向非绿脱石 Fe 转移电子过程中形成的含铁沉淀相关的 Fe(II)。我们对两相还原动力学的观察以及速率常数和粘土矿物还原电位之间的非线性关系对污染物的命运和修复都有重大影响。

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