铁氧化物与粘土矿物的交互作用特点及其机理

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铁、铝(氢)氧化物与高岭石是我国南方红壤区土壤中主要和活跃的组成成分,它们之间的交互作用对了解土壤团聚体的形成、保护土壤质量、阐明岩土力学性质等方面具有重要的科学意义。本文以土壤中氧化铁存在的状态为依据,实验室模拟合成了系列晶质、非晶质氧化铁、铁盐-高岭石复合物,采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM/EDS)、红外(IR)等方法分析了它们相互作用过程中的晶型、形貌、化学键等性质,探讨了二者胶结特点。取得的主要结果有:1、赤铁矿、针铁矿-高岭石机械混合的包被反应。(1)复合产物的XRD图谱中高岭石的特征衍射峰强度相对减弱,有些甚至消失,表明高岭石可能被氧化铁包被或者是覆盖。(2)SEM下观察表明,在高岭石表面存在氧化铁,EDS结果显示复合物中任意点分析都含一定量的铁,但含量较低,复合过程中氧化铁对高岭石有一定的包被,但包被效果不好。(3)复合前后IR图谱中Fe-O键和高岭石中的Si-OH均发生了变化,二者之间可能形成了氢键的联结,而非简单地覆盖。针铁矿、赤铁矿与高岭石均可形成有化学键联结的包被,赤铁矿包被效果较针铁矿好,但二者与高岭石的包被反应都不完全。2、非晶质氧化铁-高岭石向晶质氧化铁-高岭石转化特点。(1)老化时间的影响:随着老化时间的延长,复合物的XRD图谱中氧化铁衍射峰强度逐渐加强,高岭石的衍射峰强度相对减弱、直到消失;SEM/EDS分析表明复合物中铁含量随着老化时间的延长而增加,上层清夜中铁含量相应降低,说明随着老化时间的延长,氧化铁由非晶型向晶型转化越完全,对高岭石表面的包被也越完全。(2)老化温度的影响:在实验范围内的老化温度(25℃、40℃、60℃)对氧化铁由非晶型向晶型转化无明显影响。(3)IR分析结果表明:复合老化后,高岭石中Si-OH键周围的化学环境发生变化,可能与水铁矿中Fe-OH键形成氢键,二者之间形成有化学键连接的包被复合反应。包被效果较机械混合好。3、不同离子形态铁(Fe2+、Fe3+)-高岭石的复合转化特点。(1)老化时间、温度的影响。XRD、SEM/EDS分析表明老化时间越长,复合物中铁的含量越高,生成的晶质氧化铁越多,包被反应越完全;在实验范围内的老化温度(25℃、40℃、60℃)对氧化铁由非晶型向晶型转化无明显影响。(2)XRD、SEM/EDS、IR分析结果表明:氧化铁是在非晶型向晶型转化过程中与高岭石形成包被,且氧化铁中的Fe-OH键与高岭石中Si-OH键形成氢键,使得Si-O及Fe-O的吸收峰向低波数方向移动。二者之间形成有化学键连接的包被反应。Fe3+—高岭石的复合转化较Fe2+—高岭石充分,且Fe2+、Fe3+-高岭石的复合包被反应效果都较机械混合好,较水铁矿-高岭石弱。4、单体、复合物的比表面、孔径分布特征。非晶型水铁矿比表面积(256.8m/g)最大,其次是赤铁矿(103.1 m2/g)。而晶型赤铁矿与高岭石混合所得物(72.1 m2/g)的比表面又大于Fe3+(38.2 m2/g)、Fe2+(35.3 m2/g)与高岭石复合反应形成混合物的比表面。复合物比表面积都大于单体的高岭石(28.6m2/g)。无论是单体还是复合物,其最大孔径峰值0.4nm-0.6nm之间,变化不大。与单体高岭石相比,复合物比孔容积偏小。
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