Ferrihydrit

Ferrihydrit
Gruvdränering från Ohio. Den orange beläggningen på stockarna är ferrihydrit.
KategoriOxidmineral
Dana klassificering04.03.02.02
Strunz klassificering4.FE.35
Kemisk formel(Fe3+)2O3·0.5H2O
FärgMörkbrun, gulbrun
FörekomstsättAggregat, mikroskopiska kristaller
KristallstrukturHexagonal
TransparensOpak
StreckfärgGulbrun
Referenser[1][2][3][4]
Röntgendiffraktionsmönster för sex-linjers (överst) och två-linjers (botten) ferrihydrit. Cu Ka-strålning.

Ferrihydrit är en orangefärgad järnoxid med den ungefärliga kemiska formeln Fe2O3 · 1,4H2O. Den är mycket vanlig i naturen, och förekommer till exempel i B-horisonten i podsoler, och i myrmalm. Den är vitt utbredd på jordens yta,[5][6] och en trolig beståndsdel i utomjordiska material.[7]

Den är den järnoxid som fälls ut först när lösta Fe3+-joner hydrolyseras och bildas i flera typer av miljöer, från sötvatten till marina system, akviferer till hydrotermiska varma källor och fjäll, jordar och områden som påverkas av gruvdrift. Den kan fällas ut direkt från syresatta järnrika vattenlösningar, eller av bakterier antingen som ett resultat av en metabolisk aktivitet eller passiv sorption av löst järn följt av kärnbildningsreaktioner.[8] Ferrihydrit förekommer också i kärnan av ferritinproteinet från många levande organismer, för intracellulär lagring av järn.[9][10]

Ferrihydrit utbildar inga stora kristaller och återfinns som extremt små partiklar. Därför är ferrihydritens specifika yta mycket stor (mellan 200 och 900 m²/g), vilket innebär att den har en stor förmåga att binda vissa lösta ämnen från vattnet, se vidare järnoxider. Efter en tid omvandlas ferrihydrit ofta till någon av järnoxiderna goethit eller hematit.

Struktur

Ferrihydrit existerar bara som ett finkornigt och mycket defekt nanomaterial. Pulverröntgendiffraktionsmönstret för Fh innehåller två spridningsband i sitt mest oordnade tillstånd och maximalt sex starka linjer i sitt mest kristallina tillstånd. Den huvudsakliga skillnaden mellan dessa två diffraktionsändelement, vanligtvis benämnda två- och sex-linjers ferrihydriter, är storleken på de konstitutiva kristalliterna.[11][12] Den sexradiga formen har klassificerats som ett mineral av IMA 1973[13] med den nominella kemiska formeln 5Fe2O3·9H2O.[14]

Andra föreslagna formler är Fe5HO8·4H2O[15] och Fe2O3·2FeO(OH)·2,6H2O.[16] Dess formel är dock i grunden obestämd eftersom dess vattenhalt varierar. Tvålinjeformen kallas också för vattenhaltiga järnoxider (HFO).

På grund av ferrihydritens nanopartikulära natur har strukturen förblivit svårfångad i många år och är fortfarande en fråga om kontrovers.[17][18][19] Drits et al., föreslog 1993 med hjälp av röntgendiffraktionsdata,[11] en flerfasstrukturmodell för sex-linjers ferrihydrit med tre komponenter: (1) defektfria kristalliter (f-fas) med dubbelhexagonal stapling av syre och hydroxylskikt (ABAC-sekvens) och oordnade oktaedriska Fe-beläggningar, (2) defekta kristalliter (d-fas) med en feroxihitliknande (δ-FeOOH) struktur med kort räckvidd, och (3) underordnad ultradispers hematit (α-Fe2O3) . Diffraktionsmodellen bekräftades 2002 genom neutrondiffraktion[20] och de tre komponenterna observerades med högupplöst transmissionselektronmikroskopi.[21][22][23] En enfasmodell för både ferrihydrit och hydromaghemite[24] har föreslagits av Michel et al.,[25][26] 2007–2010, baserad på analys av parfördelningsfunktioner (PDF) av total röntgenspridningsdata. Den strukturella modellen, isostrukturell med mineralet akdalait (Al10O14(OH)2), innehåller 20 procent tetraedriskt och 80 procent oktaedriskt koordinerat järn. Manceau et al. visade 2014[27] att Drits et al.[11] modellen återger PDF-data såväl som Michel et al.[25] modell, och han föreslog 2019[19] att den tetraedriska koordinationen uppstår från maghemit- och magnetitföroreningar som observerats med elektronmikroskopi.[22][28][29]

Porositet och miljöabsorberande potential

På grund av den lilla storleken på individuella nanokristaller är Fh nanoporöst vilket ger stora ytareor på flera hundra kvadratmeter per gram.[30] Förutom att ha ett högt förhållande mellan ytarea och volym, har Fh också en hög täthet av lokala eller punktdefekter, såsom hängande bindningar och vakanser. Dessa egenskaper ger en hög förmåga att adsorbera många miljömässigt viktiga kemiska ämnen, som arsenik, bly, fosfat och organiska molekyler (till exempel humus- och fulvinsyror).[31][32][33][34] Dess starka och omfattande växelverkan med spårmetaller och metalloider används inom industrin, i stor skala i vattenreningsverk, som i Nordtyskland och för att producera stadsvattnet i Hiroshima, och i liten skala för att rena avloppsvatten och grundvatten, till exempel ta bort arsenik från industriavlopp och dricksvatten.[35][36][37][38][39] Dess nanoporositet och höga affinitet för guld kan användas för att utveckla Fh-stödda Au-partiklar i nanostorlek för katalytisk oxidation av CO vid temperaturer under 0 °C.[40] Dispergerade sexlinjers ferrihydritnanopartiklar kan fångas i ett vesikulärt tillstånd för att öka deras stabilitet.[41]

Metastabilitet

Ferrihydrit är ett metastabilt mineral. Det är känt för att vara en föregångare till mer kristallina mineraler som hematit och goethit[42][43][44][45] genom aggregeringsbaserad kristalltillväxt.[46][47] Dess omvandling blockeras emellertid i naturliga system i allmänhet av kemiska föroreningar som adsorberas på dess yta, till exempel kiseldioxid eftersom de flesta naturliga ferrihydriter är kiselhaltiga.[48]

Under reducerande förhållanden som de som finns i glesjordar eller i djupa miljöer utarmade på syre och ofta med hjälp av mikrobiell aktivitet, kan ferrihydrit omvandlas till grönrost, en skiktad dubbelhydroxid (LDH), även känd som mineralet fougerit. En kort exponering av grönrost för atmosfäriskt syre är dock tillräcklig för att oxidera det tillbaka till ferrihydrit, vilket gör den till en mycket svårfångad förening.

Galleri

  • Ferrihydritfällning från kolgruvevatten
    Ferrihydritfällning från kolgruvevatten
  • Vår i Zillertaleralperna med Fh-utfällning
    Vår i Zillertaleralperna med Fh-utfällning
  • Släckning av järnrikt vatten
    Släckning av järnrikt vatten
  • Transformering av ferrihydrit (överst) to goethit (nertill)
    Transformering av ferrihydrit (överst) to goethit (nertill)
  • Vattenbehandlingsanläggning som använder tekniken långsamt sandfilter för att behandla råvatten
    Vattenbehandlingsanläggning som använder tekniken långsamt sandfilter för att behandla råvatten
  • Trefärgad (RGB) röntgenfluorescensbild av fördelningen av As (röd), Fe (grön) och Mn (blå) i belagda kvartskorn i en vattenbehandlingssandbädd[38]
    Trefärgad (RGB) röntgenfluorescensbild av fördelningen av As (röd), Fe (grön) och Mn (blå) i belagda kvartskorn i en vattenbehandlingssandbädd[38]

Se även

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Ferryhydrite, 10 juni 2024.

Noter

  1. ^ ”Ferrihydrite Mineral Data”. webmineral.com. http://webmineral.com/data/Ferrihydrite.shtml. Läst 24 oktober 2011. 
  2. ^ ”Ferrihydrite mineral information and data”. mindat.org. http://www.mindat.org/min-1493.html. Läst 24 oktober 2011. 
  3. ^ ”Handbook of Mineralogy”. Arkiverad från originalet den 16 juli 2012. https://web.archive.org/web/20120716041121/http://www.handbookofmineralogy.com/pdfs/ferrihydrite.pdf. Läst 24 oktober 2011. 
  4. ^ Mineralienatlas
  5. ^ J. L. Jambor, J.E. Dutrizac, Chemical Reviews, 98, 22549–2585 (1998)
  6. ^ R. M. Cornell R.M., U. Schwertammn, The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrences and uses, Wiley–VCH, Weinheim, Germany (2003)
  7. ^ M. Maurette, Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 28, 385–412 (1998)
  8. ^ D. Fortin, S. Langley, Earth-Science Reviews, 72, 1–19 (2005)
  9. ^ N. D. Chasteen, P. M. Harrison, Journal of Structural Biology, 126, 182–194 (1999)
  10. ^ A. Lewin, G. R. Moore, N. E. Le Brun, Dalton Transactions, 22, 3597–3610 (2005)
  11. ^ [a b c] V. A. Drits, B. A. Sakharov, A. L. Salyn, et al. Clay Minerals, 28, 185–208 (1993)
  12. ^ A. Manceau A., V. A. Drits, Clay Minerals, 28, 165–184 (1993)
  13. ^ F. V. Chuckrov, B. B. Zvyagin, A.I. Gorshov, et al. International Geology Review, 16, 1131–1143 (1973)
  14. ^ M. Fleischer, G. Y. Chao, A. Kato (1975): American Mineralogist, volume 60
  15. ^ Kenneth M Towe and William F Bradley (1967): "Mineralogical constitution of colloidal 'hydrous ferric oxides'". Journal of Colloid and Interface Science, volume 24, issue 3, pages 384–392. doi:10.1016/0021-9797(67)90266-4
  16. ^ J. D. Russell (1979): "Infrared spectroscopy of ferrihydrite: evidence for the presence of structural hydroxyl groups". Clay Minerals, volume 14, issue 2, pages 109–114. doi:10.1180/claymin.1979.014.2.03
  17. ^ D. G. Rancourt, J. F. Meunier, American Mineralogist, 93, 1412–1417 (2008)
  18. ^ A. Manceau. American Mineralogist, 96, 521–533 (2011)
  19. ^ [a b] A. Manceau ACS Earth and Space Chemistry, 4, 379–390 (2020). doi:10.1021/acsearthspacechem.9b00018
  20. ^ E. Jansen, A. Kyek, W. Schafer, U. Schwertmann. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., 74, S1004–S1006 (2002)
  21. ^ D.E. Janney, J.M. Cowley, P.R. Buseck. American Mineralogist, 85, 1180–1187 (2000)
  22. ^ [a b] D.E. Janney, J.M. Cowley, P.R. Buseck. American Mineralogist, 86, 327–335 (2001).
  23. ^ A. Manceau. Clay Minerals, 44, 19–34 (2009)
  24. ^ V. Barron, J. Torrent, E. de Grave American Mineralogist, 88, 1679–1688 (2003)
  25. ^ [a b] F. M. Michel, L. Ehm, S. M. Antao, et al. Science, 316, 1726–1729 (2007)
  26. ^ F. M. Michel, V. Barron, J. Torrent, et al. PNAS, 107, 2787–2792 (2010)
  27. ^ A. Manceau, S. Skanthakumar, S. Soderholm, American Mineralogist, 99, 102–108 (2014). doi:10.2138/am.2014.4576
  28. ^ X. J. M. Cowley, D. E. Janney, R. C. Gerkin, P. R. Buseck, P. R., Journal of Structural Biology 131, 210–216 (2000)
  29. ^ Z D. E. Janney, J. M. Cowley, P. R. Buseck, Clays Clay Miner., 48, 111–119 (200)
  30. ^ T. Hiemstra, W. H. Van Riemsdijk, Geochimica et Cosmochimica Acta, 73, 4423–4436 (2009)
  31. ^ A. L. Foster, G. E. Brown, T. N. Tingle, et al. American Mineralogist, 83, 553–568 (1998)
  32. ^ A. H. Welch, D. B. Westjohn, D. R. Helsel, et al. Ground Water, 38, 589–604 (2000)
  33. ^ M. F. Hochella, T. Kasama, A. Putnis, et al. American Mineralogist, 90, 718–724 (2005)
  34. ^ D. Postma, F. Larsen, N. T. M. Hue, et al. Geochimica et Cosmochimica Acta, 71, 5054–5071 (2007)
  35. ^ P. A. Riveros J. E. Dutrizac, P. Spencer, Canadian Metallurgical Quarterly, 40, 395–420 (2001)
  36. ^ O. X. Leupin S. J. Hug, Water Research, 39, 1729–1740 (2005)
  37. ^ S. Jessen, F. Larsen, C. B. Koch, et al. Environmental Science & Technology, 39, 8045–8051 (2005)
  38. ^ [a b] A. Manceau, M. Lanson, N. Geoffroy, Geochimica et Cosmochimic Acta, 71, 95–128 (2007)
  39. ^ D. Paktunc, J. Dutrizac, V. Gertsman, Geochimica et Cosmochimica Acta, 72, 2649–2672
  40. ^ N. A. Hodge, C. J. Kiely, R. Whyman, et al. Catalysis Today, 72, 133–144 (2002)
  41. ^ L. Gentile, Journal of Colloid and Interface Science, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.09.192 (2021)
  42. ^ U. Schwertmann, E. Murad, Clays Clay Minerals, 31, 277 (1983)
  43. ^ U. Schwertmann, J. Friedl, H. Stanjek, Journal of Colloid and Interface Science, 209, 215–223 (1999)
  44. ^ U. Schwertmann, H. Stanjek, H.H. Becher, Clay Miner. 39, 433–438 (2004)
  45. ^ Y. Cudennec, A. Lecerf (2006). ”The transformation of ferrihydrite into goethite or hematite, revisited”. Journal of Solid State Chemistry 179 (3): sid. 716–722. doi:10.1016/j.jssc.2005.11.030. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02495178/file/fe2o3jssc_ferrihydrite.pdf. 
  46. ^ W. R. Fischer, U. Schwertmann, Clays and Clay Minerals, 23, 33 (1975)
  47. ^ J. F. Banfield, S. A. Welch, H. Z. Zhang, et al. Science, 289, 751–754 (2000)
  48. ^ L. Carlson, U. Schwertmann, Geochimica et Cosmochimica Acta, 45, 421-429 (1981)

Externa länkar

Media som används på denna webbplats

Ferrihydrite precipitate.jpg
Författare/Upphovsman: Jerry Bigham, Licens: CC BY-SA 3.0
Ferrihydrite precipitate from coal mine water (pH ~6.8) at the outlet of a road culvert in Belmont Co., Ohio (USA). Source: Professor Jerry Bigham, Ohio State University.
XRD 6Fh + 2Fh.jpg
Författare/Upphovsman: Alain Manceau, Licens: CC BY-SA 3.0
X-ray diffraction patterns for six-line (top) and two-line (bottom) ferrihydrite, also called hydrous ferric oxide. This image has been created from the original data published by Drits et al. (1993) in Clay Minerals (vol. 28, 185-207).
Ferrihydrite to goethite.jpg
Författare/Upphovsman: Jerry Bigham, Licens: CC BY-SA 3.0
Cross section of the ferrihydrite precipitate shown in the Wikimedia Commons image: Ferrihydrite precipitate.jpg. The upper part (outer crust) is ferrihydrite, the lower part (inner crust) is goethite. Source: Professor Jerry Bigham, Ohio State University.
Sand filter.jpg
Författare/Upphovsman: Alain Manceau, Licens: CC BY-SA 3.0
Sand filtration plant used in water purification for treating raw water.
Qtz coating rAsgFebMn.jpg
Författare/Upphovsman: Alain Manceau, Licens: CC BY-SA 3.0
Tricolor (RGB) X-ray fluorescence image of the distribution of As (red), Fe (green), and Mn (blue) in coated quartz grains from a water treatment sand bed. This technology is used to produce potable water from raw water. Arsenic is associated with Fe oxides (speciated here as ferrihydrite), as shown by the yellow color of some layers. Their large variations in hue are indicative of varying As/Fe ratios. Some layers are green, due to the absence or low concentration of As. This fluorescence map was recorded on beamline 10.3.2 at the Advanced Light Source of the Lawrence Berkeley National Laboratory. Pixel size = 10 x 10 microns Adapted from Manceau et al. (Geochimica et Cosmochimic Acta, 2007, 71, 95-128)
Seepage of iron-rich water.jpg
Författare/Upphovsman: Jerry Bigham, Licens: CC BY-SA 3.0
Seepage of iron-rich water into a natural drainageway from northern Mississippi, showing ferrihydrite precipitate.
Spring in the Zillertaler Alps.jpg
Författare/Upphovsman: Jerry Bigham, Licens: CC BY-SA 3.0
Spring in the Zillertaler Alps near the border between Italy and Austria with ferrihydrite precipitate.
Mine drainage from Ohio.jpg
Författare/Upphovsman: Jerry Bigham, Ohio State University, Licens: CC BY-SA 3.0
Mine drainage from Ohio (USA) showing ferrihydrite precipitate