桑迪亚国家实验室 桑迪亚国家实验室研究员安娜斯塔西娅·伊尔根在一个无氧手套箱中进行实验
信用:兰迪蒙托亚 桑迪亚国家实验室的研究人员发现了“打开”粘土矿物结构中铁的机制，从而理解了如何在无氧条件下使铁具有活性
这项研究将帮助科学家理解和预测污染物，如砷、硒和铬，是如何通过环境进入水道的
这些化学原理可用于开发天然土壤屏障，以从水中去除这些污染物，并制造反应性膜，该膜可在水过滤过程中转化污染物
这项工作刊登在最近一期《环境科学:纳米》的封面上，题为“打开粘土矿物中的铁”，作者是来自太平洋西北国家实验室的Sandia研究人员Anastasia Ilgen、Kevin Leung和Rachel Washington以及Ravi Kukkadapu
这项工作由能源部基础能源科学项目资助
理解铁反应 “在地球科学领域，几十年来我们认识到，理解铁的反应对于理解污染物在环境中如何移动和转化至关重要，”主要作者伊尔根说
铁是地壳的主要成分，也是第四种最常见的元素
含铁矿物构成了土壤和沉积岩的很大一部分
含铁矿物表面的吸附和化学转化决定了化学物质在环境中的归宿和迁移
吸附，即污染物附着在矿物表面，这些矿物表面的化学反应决定了这些化学物质在环境中的移动方式
伊尔根解释说，土壤中的铁可以以两种氧化状态存在:还原和氧化
这一点很重要，因为铁会随着土壤条件的轻微变化而在这些形态之间不断循环
“粘土矿物在土壤中非常常见，它们的结构中通常含有铁，”她说
“粘土矿物的表面只含有氧化铁，没有活性
它们吸附砷，但不进行化学转化
然而，一旦少量的还原铁被引入粘土矿物的结构中，这些相同的表面就变得具有反应性
" 直到现在，还不知道当没有氧气存在时，含有微量还原铁的粘土矿物是如何以及为什么会发生反应的
该图描述了论文中描述的反应体系，显示了粘土矿物绿脱石的结构，氧化铁(橙色)和还原铁(亮绿色)被水和砷离子(紫色)包围
信用:团浩 伊尔根说:“我们已经发现了粘土矿物结构中的氧化铁在无氧条件下反应的机理，以及为什么微量的还原铁对反应的发生是必要的。”
团队使用各种工具、方法 利用实验工具，研究小组确定了粘土矿物中与砷发生反应的确切化学位置
研究小组表明，位于粘土矿物边缘的铁原子是反应性的，为了使反应发生，这些位置必须同时含有还原铁和氧化铁
研究小组使用计算方法来计算氧化砷所需的能量，砷被吸附到一个只含有氧化铁的位置，而不是同时含有氧化铁和还原铁的位置
这些计算表明，从热力学角度来看，在氧化铁旁边添加一种还原铁并不会使砷的氧化更有利
然后，问题变成了为什么站点在环境中是被动的？通过光谱分析，研究小组证明了一种污染物，如砷，要在粘土矿物表面氧化，它必须从粘土矿物表面置换水分子
分离水分子是附着砷的必要化学步骤，以便能够在粘土矿物表面将其氧化
计算表明，与仅含有氧化铁的场地相比，从同时含有还原铁和氧化铁的场地中去除水消耗更少的能量
因为它使用较少的能量，所以更容易首先附着，然后在粘土矿物表面的这种化学位置氧化砷，这就是反应发生的原因
理解这一机制有助于解释氧化还原敏感的营养物质和污染物在环境中的命运和运输，以及为什么其中一些即使在没有溶解氧的情况下也以氧化形式存在
不同天然矿物中铁的继续研究 伊尔根说，研究小组将继续研究控制铁在不同天然矿物中反应的化学机制，并将探索铁在土壤和沉积岩中反应所需的条件
该团队将利用这些知识来更好地了解污染物和营养物质的环境归宿和运输，并设计潜在的反应屏障来防止污染物进入水道
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