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方解石族矿物固溶体的溶解热力学及其对重金属在固-液两相中分配的影响

批准号:
42063003
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
朱义年
依托单位:
学科分类:
元素地球化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
朱义年

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
方解石晶格中的Ca2+位置可以容纳Mn2+、Cd2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Pb2+等二价阳离子,从而在自然界中形成一系列含重金属的具有方解石结构的固溶体,对环境中重金属的迁移转化和分布分配产生极大的影响。到目前为止,有关该固溶体系列的研究,以对结晶过程的理论计算与实验为主,而对溶解过程的实验研究非常缺乏;此外,在文献中还存在许多互相矛盾的结论。所以,本项目拟通过沉淀/溶解实验,确定含锰、镉、锌、钴、镍、铅等的方解石族矿物固溶体系列形成的条件及其稳定存在的pH值范围,并求得它们的溶度积和吉布斯生成自由能等热力学参数,作出其溶解过程的Lippmann图、Roozeboom图和分配系数图;同时对含重金属方解石族矿物固溶体系列在水环境中的溶解作用及其稳定性进行详细的研究,了解固溶体-水溶液作用过程中反应路径以及矿物表面组分与结构的变化,更好地掌握重金属在自然界中的迁移转化与分布分配规律。
英文摘要
The Ca2+ sites in the calcite lattices can accept many divalent cations, e.g., Mn2+, Cd2+, Zn2+, Co2+, Ni2+ and Pb2+, to form a series of heavy metal-bearing calcite-structured solid solutions in the nature, which plays a very important role in the transportation and transformation of these heavy metals in the environment. Until now, most of the researches focus on the theoretical calculation and experiment of the crystallization process of these solid solutions. Very few works have been made on their dissolution, and many contradictory conclusions can be found in literature. In the present research, therefore, the forming condition and the pH stability range of some solid solutions of calcite group minerals, containing Mn, Cd, Zn, Co, Ni and Pb, will be firstly determined through precipitation/dissolution experiments. Based on the obtained experimental data, the thermodynamic parameters, such as the solubility products and Gibbs free energies of formation of these solid solutions of calcite group minerals, will be calculated, and the Lippmann diagram, the Roozeboom diagram and the distribution coefficient diagram will be also generalized for the mineral-water interaction. Simultaneously, the dissolution and stability of the heavy metal-bearing solid solutions of calcite group minerals in water is to be studied in detail in order to understand the reaction path and compositional evolution of the solid solution and the aqueous solution and to recognize the variation of the surface composition and structure of the solids in solid solution-aqueous solution (SS-AS) systems. The research results can better clarify the transportation, transformation, distribution and participation characteristics of Mn, Cd, Zn, Co, Ni and Pb in the natural environment.
方解石晶格中的Ca位置可以容纳Mn、Cd、Zn、Co、Ni、Pb等的二价阳离子,从而在自然界中形成一系列含重金属的具有方解石结构的固溶体,对环境中重金属的迁移转化和分布分配产生极大的影响。本项目通过实验,确定方解石族矿物固溶体的形成条件及其在水中的溶解机制,并计算出它们的溶度积常数和吉布斯生成自由能,作出其Lippmann图,同时分析固溶体的溶解反应路径。方解石–菱锰矿固溶体[(Ca1-xMnx)CO3]的Guggenheim系数a0=2.92~3.28和a1=-0.33~0.61;在水中溶解时,水中各组分浓度的数据点逐渐向上移动接近Solutus曲线,然后沿着Solutus曲线或菱锰矿饱和曲线向贫Mn一侧移动。方解石-菱镉矿固溶体[(Ca1-xCdx)CO3]的Guggenheim系数为a0=-2.36~-0.84和a1=-6.89~-3.80;在水中溶解时,相对贫镉的水溶液最终与相对富镉的固溶体达到平衡。方解石-菱钴矿固溶体[(Ca1-xCox)CO3]的固溶隙为XCo=0.251~0.858;Guggenheim系数为a0=2.30和a1=0.265;在水中溶解时,贫钴水溶液会在固相表面与具有方解石结构的富钴固相达到平衡。方解石-菱锌矿固溶体[(Ca1-xZnx)CO3]的固溶隙为XZn=0.075~0.864,Guggenheim系数为a0=2.72和a1=-0.266;在水中呈非化学计量溶解,Zn浓度相对较低的水溶液最终与Zn含量相对较高的固相处于平衡状态。菱锌矿-菱锰矿固溶体[(Zn1-xMnx)CO3]的Guggenheim系数为a0=1.36~2.46和a1=-3.30~-1.28;在水中溶解时,最终水溶液的XMn值大于相应固溶体的XMn值。含Pb方解石固溶体 [(Ca1-xPbx)CO3]在水中呈非化学计量的溶解,最终铅浓度非常低的水溶液与铅含量较低的方解石型晶体和铅含量较高的白铅矿型晶体同时处于平衡状态。(Ca1-xNix)CO3固溶体的固溶隙为XNi=0.238~0.690,Guggenheim系数为a0=2.14和a1=-0.128;在水中溶解时,水中Ca和Ni浓度同时受到含Ni方解石、含Ni文石和含Ca碳酸镍的最小化学计量饱和曲线的限制。研究结果有助于更好地了解有毒微量元素在地表的地球化学循环。
“异型”碳酸盐和无水硫酸盐矿物固溶体系列的溶解热力学及其对水环境中微量元素分配的影响
  • 批准号:
    42267027
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    35万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    朱义年
  • 依托单位:
方解石族矿物固溶体的溶解热力学及其对重金属在固-液两相中分配的影响
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    35万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    朱义年
  • 依托单位:
复杂砷酸盐/亚砷酸盐—硫酸盐矿物的溶解热力学及其对砷在环境中迁移转化的影响
  • 批准号:
    41763012
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    37.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    朱义年
  • 依托单位:
磷灰石族矿物固溶体的溶解热力学及其对有毒微量元素在固液体系中分配的影响
  • 批准号:
    41263009
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    48.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    朱义年
  • 依托单位:
国内基金
海外基金