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1、第24卷第10期地球科学进展Vo.l24No.102009年10月ADVANCESINEARTHSCIENCEOct.,2009文章编号:1001-8166(2009)10-1084-10*钙锰矿的研究进展1,211*111崔浩杰,冯雄汉,刘凡,谭文峰,邱国红,陈秀华(1.华中农业大学农业部亚热带农业资源与环境重点开放实验室,湖北武汉430070;2.中国科学院城市环境研究所,福建厦门361021)摘要:钙锰矿是土壤、沉积物及海洋锰结核中常见的以3@3结构为主的一族大隧道构造氧化锰矿物。隧道中存在水分子和阳离子,形貌以
2、片状、针状或纤维状为主。水钠锰矿y布塞尔矿y钙锰矿的转化是钙锰矿形成的一个重要途径。这种转化在常压条件下受体系温度、pH、共存粘土矿物、转化时间以及前驱物布塞尔矿亚结构特点,如层间交换离子类型、浓度、以水合离子形态或与MnO6八面体空穴上方键合的强弱、结晶度、Mn(III)的含量与迁移特点等因素影响。钙锰矿独特的结构使其所具有的离子吸附、氧化与催化特性及分子级的隧道空间等有望作为特异的分子筛、二次电池正极材料、有机反应催化剂等在环境科学和材料科学等领域具有广阔的应用前景。关键词:钙锰矿;隧道结构;锰氧八面体;铁锰结核;
3、布塞尔矿;土壤中图分类号:P578.4文献标志码:A[3]量,被誉为/海洋的清道夫0。作为天然的氧化剂1引言和催化剂,钙锰矿等氧化锰矿物广泛地参与自然界钙锰矿,又称钡镁锰矿,是具有3@3隧道构造中各种有机和无机化合物的氧化还原和催化反应:的锰氧化物,常见于锰矿床氧化带、含锰岩石风化物氧化As(III)、Cr(III)、Co(II)、Pu(III)等金属离子,及土壤、沉积物等表生环境中,也是大洋锰结核中主催化土壤腐殖质的形成、降解有机物污染物。此外,[1~7]要成分之一。自1934年在日本Todoroki矿山稳定的分子级
4、隧道构造赋予其良好的分子筛、电化发现钙锰矿以来,其性质和成因倍受人们关学循环稳定、选择催化等性能,在环境科学和材料科[8~20]注。天然钙锰矿一般含有Ca、Mg、Na等元素,学等领域有着广阔的应用前景。无固定化学组成,但分子式可近似表示为(Ca,Na,4+3+2+[3]2钙锰矿的结构和形貌K)3~5[Mn,Mn,Mg]6O12#3~4.5H2O,而人工合成产物随加入元素的不同而各异。钙锰矿的钙锰矿是由MnO6八面体沿a轴和c轴方向通电荷零点低、表面积大、负电荷量高,是土壤与沉积过三链以链内共棱和链间共角顶氧方式连接形成
5、的物中具有高度反应活性的一类矿物,能吸附多种重3@3隧道构造,隧道沿b轴延伸,孔径为0.69nm,2+2+2+金属、放射性元素和微量元素,影响或决定着它们在隧道中含有水分子和交换性的Ca、Mg、Ba、2+++[1,2,21]环境中的浓度、形态、化学行为和生物有效性,以及Ni、Na、K等阳离子(图1)。由于钙锰矿它们进入陆地和水体生态系统食物链的强度和容和层状布塞尔矿都属1nm锰矿物((001)面的d值*收稿日期:2008-12-29;修回日期:2009-07-14.*基金项目:国家自然科学基金重点项目/土壤中锰氧化物的
6、生物形成及对物质形态和转化的影响0(编号:40830527)和/氧化锰矿物结构中的八面体空穴与其表面化学性质的关系0(编号:40771102);高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金/土壤中锰氧化物的生物与化学成矿耦合机制及其环境效应研究0(编号:200767);湖北省自然科学基金青年杰出人才项目/土壤锰矿物氧化Cr(III)的动力学过程与反应途径及Mn(III)的环境意义0(编号:2007ABB014)资助.作者简介:崔浩杰(1979-),男,安徽蚌埠人,助理研究员,主要从事土壤环境化学、矿物材料与环境等研究.E-
7、mai:lhjcu@iiue.ac.cn*通讯作者:刘凡(1957-),男,湖北武汉人,教授,主要从事土壤矿物与环境化学等研究.E-mai:lliufan@mai.lhzau.edu.cn第10期崔浩杰等:钙锰矿的研究进展1085[22~25][29]都接近1nm),一度与布塞尔矿相混淆。天然子平衡。根据离子交换和晶体化学分析,Post等2+钙锰矿的高分辨率透射电镜(HRTEM)研究证实,海推测Mg最有可能位于MnO6八面体三链的边缘,[31]2+床和陆相环境形成的钙锰矿具有相同的构造和生长但Gutzmer等通过分析认
8、为Mg是位于隧道中。特点,有特征的三连晶形貌,隧道以3@3为主,普遍X-射线吸收精细光谱研究也表明这些钙锰矿八面体3+2+[5]含有连生形成的3@3、3@4、和3@5等不同宽度的中低价态的离子是Mn而不是Mg。人工合成[17,26,27][28,29]2+大隧道构造(图2、3)。Chukhrov等报钙锰矿过程中进行离子掺杂的结果表
