典型鐵氧化物-Fe(Ⅱ)aq非均相體系氧化還原電位的測定方法

李欣 楊珊珊 高成杰 劉菲*

1（水利部地下水保護重點實驗室（籌），北京100083）

2（水資源與環境工程北京市重點實驗室，北京 100083）

3（北京市生態環境保護科學研究院，北京 100037）

鐵（Fe）是地殼中含量第四豐富的元素，幾乎存在于所有的水環境中[1-2]。含水層中廣泛存在的鐵氧化物具有氧化還原活性，在與溶解性Fe（Ⅱ）（Fe（Ⅱ）aq）相互轉化的過程中，可實現對氯代溶劑、放射性核素、有毒金屬以及農藥等污染物的非生物降解[3-7]。鐵氧化物的存在可以顯著增強Fe（Ⅱ）aq的還原性，進而提高污染物降解的速率常數[8-12]。因此，含水層中鐵氧化物和Fe（Ⅱ）aq組成的非均相體系在生物地球化學循環過程和污染物去除過程中具有重要作用。

監測自然衰減（MNA）是場地污染修復和風險管理的低成本策略，鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系引起的非生物降解是自然衰減的重要組成部分，但是，氯代烴等污染物的非生物衰減通常由于時間尺度很長，難以量化，需要采用其它方法進行補充判定。理論上，如果污染物去除的限速步驟發生了電子轉移，則可以建立熱力學指示參數與污染物去除動力學參數之間的定量關系，即建立線性自由能關系（LFERs），預測污染物衰減速率[13-15]。氧化還原電位（Eh）是表征體系還原特性的重要熱力學指標，已有研究表明，Eh與硝基苯、氯代烷烴等污染物降解速率常數（Kobs）之間存在LFERs[13,16-17]。這種定量關系的建立表明可將易獲取的鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系熱力學參數與污染物衰減速率聯系起來，對于預測場地尺度下污染物非生物自然衰減速率具有重要意義。在Fe（Ⅲ）aq-Fe（Ⅱ）aq均相體系中，Fe（Ⅱ）/Fe（Ⅲ）氧化還原對的表觀氧化還原電位通常由占主導地位的Fe（Ⅱ）物種決定，Eh可以根據能斯特方程進行理論計算得到。在鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系中，Fe（Ⅱ）的活性受鐵氧化物吸附、絡合作用以及鐵氧化物溶解度影響，難以量化吸附態Fe（Ⅱ）的活度[18]。

此外，通過電化學方法也能直接測定Eh，通常以鉑電極為指示電極，Ag/AgCl 或飽和甘汞電極為參比電極，插入待測體系組成原電池進行測定。然而，對于鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系而言，電化學方法測定Eh仍存在問題，即礦物體系和工作電極之間達到氧化還原平衡需要很長時間，甚至無法達到平衡，易產生電位測量誤差[19-22]。為解決該問題，研究者提出了介導電化學方法，即在體系中添加一種可溶性電子轉移介導物質，使其在待測氧化還原對和工作電極表面之間反復進行電子傳遞，加速電子傳遞，快速達到平衡[22]。該方法最初用于表征腐殖質的電子轉移能力[23]，之后逐漸應用于礦物非均相體系中。在實際測定過程中，由于鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相界面反應復雜，實驗條件的微小差異可能導致Eh結果出現較大的誤差。因此，有必要探討不同實驗條件對介導電位法測定Eh的影響，建立準確測定非均相體系電位的最佳條件，并進一步驗證這種方法在不同鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq體系中的適用性。

本研究以針鐵礦和赤鐵礦作為典型鐵氧化物，首先分析不同實驗條件（厭氧條件、電極預處理、介導物質和平衡時間）對Eh測定的影響，在此基礎上，建立鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系介導電位測定方法，并進一步對比分析不同礦物體系的氧化還原特性。本研究為預測鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系參與的污染物衰減速率提供了理論和方法學參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

877 Titrino plus 自動電位滴定儀，配有6.0451.100 型鉑環氧化還原復合電極（瑞士萬通公司）；CHI660E 電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）。

針鐵礦購自Sigma-Aldrich 公司，赤鐵礦購自Strem Chemicals 公司，經研磨后過200 目（篩孔74 μm）篩，比表面積分別為15.14 和10.28 m2/g。根據實驗條件選用4 種單電子轉移介導物質，信息見表1。

FeCl2·6H2O（美國Sigma 公司）;KCl（國藥集團化學試劑有限公司）；4,4-聯吡啶（北京邁瑞達科技有限公司）；氧化氘（D2O）等其它試劑（上海麥克林生化科技股份有限公司）。所用試劑均為分析純及以上純度；實驗用水為超純水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 介導物質的合成和表征

1.2.1 介導物質氰甲基紫精(CMV)的合成

參考文獻[24-25]的方法合成介導物質CMV，并以D2O 為溶劑，對合成的CMV 進行核磁共振氫譜（1H NMR）測定，確定CMV 為主要合成產物（電子版文后支持信息圖S1）。

1.2.2 循環伏安(CV)測試

在8～10 mL pH=7 的初始背景溶液（25 mmol/L KCl，25 mmol/L 3-（N-嗎啡啉）丙磺酸（MOPS））中加入1 mmol/L 介導物質，采用三電極體系（6 mm 直徑玻碳工作電極、鉑絲對電極和Ag/AgCl 參比電極，參比液為飽和KCl 溶液），在CHI660E 電化學工作站上，以10 mV/s 的掃速進行CV 掃描。

1.3 樣品配制

在40 mL 棕色玻璃瓶中加入含25 mmol/L KCl 和25 mmol/L MOPS（pKa=7.2）的初始溶液，再加入FeCl2儲備液（200 mmol/L），設置不同Fe（Ⅱ）aq初始濃度，采用KOH 和HCl 調節pH 值，充分混合后，采用鄰菲羅啉分光光度法測定Fe（Ⅱ）aq的初始濃度。然后添加鐵氧化物，加入介導物質，置于恒溫振蕩器，在25℃、175 r/min 條件下混合（20±4）h，取樣過0.22 μm 過濾器，測定吸附后溶液中Fe（Ⅱ）aq濃度。所有樣品均設置3 個平行樣；對照實驗除不加介導物質外，其它條件相同。

1.4 介導電位測定

為排除氧氣干擾，所有溶液需經N2曝氣1 h 以上，或使用無氧水配制。實驗操作在密封反應器N2曝氣下進行，或者在厭氧手套箱（95% N2，5% H2）中進行。此外，所有溶液、器皿和鐵氧化物在使用前需在手套箱內放置12 h 以上。

電極預處理 鉑環氧化還原復合電極在長時間測定后需要進行預處理恢復電極狀態。將其浸泡在0.1 mol/L HCl 溶液中可去除表面吸附物質或氧化膜，浸泡在3 mol/L KCl 溶液中可恢復被稀釋的參比液濃度。

樣品測定 將經預處理的鉑環氧化還原復合電極插入實驗樣品液下2 cm 處，磁力攪拌條件下采用電位滴定儀連續測定電位，每隔2 s 記錄一次數據，每次測定30 min，介導電位測定示意圖如圖1 所示。以鉑環為工作電極，Ag/AgCl 為參比電極，3 mol/L KCl 為參比溶液，結果轉換為參比標準氫電極的電位值（vsSHE）。

圖1 介導電位測定示意圖Fig.1 Schematic diagram of the measurement of mediated potentiometric

電極校準和電位轉換值測定 通過兩種ORP 標準溶液校準電極并測定電位轉換值，即在pH=4.01和pH=6.86 緩沖液中加過量醌氫醌，標準電位值Eh（vsSHE）分別為462 和296 mV，Eh（vsSHE）與測定的Eh（vsAg/AgCl）的平均差值為電位轉換值，在整個實驗過程中，此轉換值變化應不超過20 mV。

2 結果與討論

2.1 介導電位測定方法及優化

鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系屬于弱平衡體系，與工作電極接觸面積小，易在電極表面形成沉淀，導致其與工作電極的電子轉移達到平衡所需時間較長，增加了快速準確測定Eh的難度[20-21,26]。介導電位法可克服平衡時間長的缺點，但會受氧氣、電極狀態、平衡時間和介導物質等多種因素影響，所以需進一步考察不同實驗條件對體系介導電位測定結果的影響，以優化和改進測定方法。

2.1.1 厭氧條件對Eh的影響

由于Fe（Ⅱ）aq易被氧氣氧化，鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系的電位測定需要保持厭氧環境。實驗室中有兩種方法控制測定過程中厭氧條件：樣品經充分曝氣后直接在厭氧手套箱內進行測定；或者在密封反應容器中進行測定，但是由于需開孔插入電極，長時間測定無法保證完全密封，需另開進氣孔和出氣孔，通過N2吹掃驅除頂空氧氣。兩種方法各有優缺點，以針鐵礦-Fe（Ⅱ）aq體系為例，對比了不同厭氧控制方法的效果，所有樣品溶液都經N2曝氣驅氧（＞1 h），控制溶液的溶解氧DO ＜0.1 mg/L，結果如圖2 所示。在手套箱外N2吹掃條件下，介導電位和非介導電位測定的結果都不穩定，仍會使氧氣侵入頂空，造成Eh回彈；采用在厭氧手套箱內進行測定可避免Eh回彈現象，非介導電位隨時間延長而緩慢降低，而介導電位則在短時間內有所降低，此后保持穩定。因此，鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系電位的測定需要在手套箱內嚴格控制厭氧條件，否則亞鐵會被氧化，造成Eh回彈。上述結果表明，在場地監測過程中需要重視控制樣品厭氧條件，采取嚴格的取樣、運輸和儲存技術，尤其是對于鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系，應在實驗室手套箱厭氧環境下進行電位測定。Kocur 等[17]采用低溫巖芯取樣、冷凍運輸儲存和厭氧室內密封等一系列處理方法，保證了場地介質樣品的完整性和生物地球化學條件，并在厭氧手套箱內準確測定了介質的Eh。

圖2 不同厭氧控制方法對氧化還原電位（Eh）的影響：（a）N2 曝氣下的非介導電位；（b）N2 曝氣下的介導電位；（c）厭氧手套箱中的非介導電位；（d）厭氧手套箱中的介導電位實驗條件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 緩沖液；1 g/L 針鐵礦；Fe（Ⅱ）aq 初始濃度為1 mmol/L，pH=6；介導電位組添加10 μmol/L RuFig.2 Effect of different anaerobic control methods on redox potential(Eh):(a)Nonmediated potential under N2 purging;(b)Mediated potential under N2 purging;(c)Nonmediated potential in anaerobic glove box;(d)Mediated potential in anaerobic glove box

2.1.2 電極預處理的影響

電極表面狀態對Eh測定有重要影響。一方面，工作電極（鉑電極）不是絕對惰性的，在待測體系中表面容易形成氧化膜或吸附其它物質，從而影響各氧化還原電對在鉑電極上的電子交換速率[27]，需要進行清洗。常用的清洗鉑電極的方法包括酸洗和超聲清洗法，而在手套箱內超聲操作不便，通常采用酸洗清洗。另一方面，長時間測定會導致電極內參比液稀釋，定期浸泡在3 mol/L KCl 溶液中可恢復參比液濃度。在進行大量樣品測定時，不僅需保證每次測定電極狀態一致，而且需綜合考慮時間成本，所以本研究每次測定前均進行電極預處理。以未處理電極為對照組，0.1 mol/L HCl 和3 mol/L KCl 溶液預處理電極為實驗組，分析了電極預處理對介導Eh測定的影響。如圖3 所示，未進行電極預處理時，連續多次測定的介導電位結果相差較大（最大相差達60 mV），說明結果不準確。這是因為多次測定會在電極表面不斷發生電子轉移，產生記憶效應，后續的測定值是在之前Eh基礎上的疊加；而電極分別在HCl 和KCl 溶液中浸泡預處理5 min 后，3 次測定的介導電位相差小于5 mV，具有較好的重現性。

圖3 電極預處理對Eh 的影響：（A）未預處理組；（B）預處理組a～c，3 次重復測定曲線。25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 緩沖液，1 g/L 針鐵礦，1 mmol/L 初始Fe（Ⅱ）aq 濃度，pH=6，10 μmol/L RuFig.3 Effect of electrode pretreatment on Eh: (A) unpretreated group;(B) pretreated groupa-c : curves corresponding to three triplicate measurement.Experimental conditions: 25 mmol/L KCl,25 mmol/L MOPS buffer,1 g/L goethite,1 mmol/L initial Fe(Ⅱ)aq concentration,pH=6,10 μmol/L Ru

2.1.3 介導物質的篩選

選擇合適的介導物質是建立介導電位有效測定方法的關鍵。介導物質在工作電極和測定的氧化還原對之間反復進行氧化還原過程，加速了電子在初級電子供體與終極電子受體間的傳遞進程，進而使工作電極通過介導物質發生電子轉移，間接獲得測定的鐵氧化還原對的氧化還原狀態[22,28-29]。介導電化學中所使用的介導物質需要滿足一定的條件，包括良好的溶解性、穩定性、電子轉移可逆性、具有明確定義的標準還原電位Eh0和電子與質子轉移數量、不與待測體系中的物質發生吸附等[22]。此外，根據能斯特方程，單電子轉移的介導物質在電子轉移時電位的變化為Eh0±120 mV，超出這個范圍，Eh值就難以控制和精確測量。因此，在介導電位測定過程中需要篩選適用于不同實驗條件的介導物質。首先，參考文獻選擇了4 種單電子介導物質[25]，并對其進行了CV 測試（圖4），介導物質半波電位與文獻報道的Eh0值一致，表明介導物質的有效且電子轉移可逆，可用于介導電位測定。采用試錯法篩選不同實驗條件下適用的介導物質，以pH=6，1 mmol/L Fe（Ⅱ）aq的針鐵礦體系為例（圖5），添加介導物質Ru 可有效促進電位快速降低，并達到平衡，而添加CMV、DQ 和ETV 沒有效果，這主要是由于體系平衡電位（35 mV）在Ru的有效介導范圍（?30～210 mV[25]）內，超出了其它介導物質的介導范圍[25]。

圖4 介導物質的循環伏安圖Fig.4 Cyclic voltammetry curves of the mediators

圖5 不同介導物質對Eh 的影響實驗條件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 緩沖液，1 g/L 針鐵礦，1 mmol/L 初始Fe（Ⅱ）aq 濃度，pH=6，10 μmol/L 介導物質Fig.5 Effect of different mediators on EhExperimental conditions: 25 mmol/L KCl,25 mmol/L MOPS buffer,1 g/L goethite,1 mmol/L initial Fe(Ⅱ) aq concentration,pH=6,10 μmol/L mediator

此外，在介導電位測定過程中，介導物質的濃度應遠小于Fe（Ⅱ）或Fe（Ⅲ）的濃度。一方面，可以保證測定的是Fe（Ⅲ）和Fe（Ⅱ）氧化還原對的Eh，而不是介導物質的Eh；另一方面，可以保證介導物質不會導致Fe（Ⅱ）氧化或Fe（Ⅲ）還原，從而改變非均相體系原來的Eh。本研究分析了不同濃度介導物質對Eh的影響，結果如圖6 所示，在添加10～50 μmol/L 介導物質的條件下，體系Eh差異很小，不超過0.5 mV，說明10～50 μmol/L 的介導物質不會影響Eh測定，最終選擇介導物質最小濃度10 μmol/L 進行介導電位的測定。

圖6 介導物質Ru 濃度對Eh 的影響實驗條件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 緩沖液，1 g/L 針鐵礦，1 mmol/L 初始Fe（Ⅱ）aq 濃度，pH=6，0～50 μmol/L 介導物質Fig.6 Effect of mediator Ru concentration on EhExperimental conditions: 25 mmol/L KCl,25 mmol/L MOPS buffer,1 g/L goethite,1 mmol/L initial Fe(Ⅱ)aq concentration,pH=6,0?50 μmol/L mediator

2.1.4 平衡電位時間的選擇

在Eh測定過程中，通常將某一時間點的穩定電位（5 min 內電位變化值不大于1mV）視為相對平衡電位。由于鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系屬于弱平衡體系，非介導電位測定過程中達到平衡所需時間很長，如圖5 所示，針鐵礦-Fe（Ⅱ）aq非均相體系的非介導電位在30 min 也未達到平衡，添加介導物質后，電位在5 min 內達到平衡。因此，選擇介導電位法測定鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系Eh的平衡時間為5 min。

基于厭氧條件、電極預處理條件、介導物質篩選和平衡時間選擇的優化，最終建立了以針鐵礦和赤鐵礦為典型的鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系介導電位的快速準確測定方法。首先，需要嚴格保證厭氧條件，實驗溶液經N2曝氣至DO ＜0.1 mg/L，所有樣品和實驗用品在厭氧箱中放置過夜，并在厭氧手套箱內進行測定；其次，兩次測定之間，氧化還原電極分別在0.1 mol/L HCl 和3 mol/L KCl 溶液中浸泡5 min，恢復電極狀態；測定前選擇適用的介導物質，在連續測定5 min 后確定體系的平衡電位。

2.2 針鐵礦和赤鐵礦-Fe(Ⅱ)aq非均相體系的介導電位測定結果

采用優化的介導電位測定方法，分別測定不同實驗條件下針鐵礦和赤鐵礦-Fe（Ⅱ）aq體系的Eh，結果如圖7 所示，隨著Fe（Ⅱ）aq初始濃度和pH 值增大，非均相體系的Eh都逐漸降低，即還原能力增強，與文獻報道一致[11,13]。為了定量分析及驗證是否為平衡Eh，建立針鐵礦和赤鐵礦-Fe（Ⅱ）aq電子轉移半反應（公式（1）和（2）），由于兩種體系電子和質子轉移數量一致，可用同一個能斯特方程描述（公式（3））：

圖7 不同pH 值和Fe（Ⅱ）aq 濃度下（A）針鐵礦-Fe（Ⅱ）aq 體系和（B）赤鐵礦-Fe（Ⅱ）體系的Eh實驗條件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 緩沖液，1 g/L 鐵氧化物，10 μmol/L 介導物質；誤差棒代表三次平行實驗的標準偏差；虛線表示模型擬合結果Fig.7 Eh of (A) goethite-Fe(Ⅱ)aq system and (B) hematite-Fe(Ⅱ)aq system at different pH values and Fe(Ⅱ)aq concentrationsExperiment condition: 25 mmol/L KCl,25 mmol/L MOPS buffer,1 g/L iron oxide,10 μmol/L mediator.Error bars represent the standard deviation from triplicate experiments.The dashed lines represent the model fit

針鐵礦：

赤鐵礦：

其中，R是理想氣體常數，T是絕對溫度，F是法拉第常數，{Feaq2+}和{H+}分別代表Feaq2+和H+的活度。在室溫（298 K）下，公式（3）可改寫為公式（4）：

實驗體系中的離子強度主要受緩沖液（25 mmol/L）的pH 值和KCl 背景電解液（25 mmol/L）控制，利用Visual Minteq v3.3 計算得到實驗體系中Fe（Ⅱ）aq的活度系數約為0.51。

將實驗測得的Eh數據與能斯特方程進行擬合。通過最小二乘法多元線性擬合法得到Eh0值、Fe（Ⅱ）aq項的斜率和pH 項的斜率，針鐵礦和赤鐵礦體系的Fe（Ⅱ）aq項斜率分別為（?46.8±3.5）mV 和（?58.585±7.6）mV，pH 項斜率分別為（?178.3±3.1）mV 和（?174.1±7.6）mV，斜率均接近于理論值?59和?177 mV，說明針鐵礦和赤鐵礦非均相體系的反應是包括1 個電子和3 個質子的轉移過程，符合能斯特方程。為了進一步準確評估擬合效果和計算Eh0，固定斜率為理論值，采用線性回歸獨立擬合每一個pH值條件下的Eh數據。如表2 所示，所有結果的R2≥0.8，具有較好的擬合結果，方差分析的p＜0.05，說明擬合模型具有統計學意義。根據擬合可進一步計算得到針鐵礦和赤鐵礦的Eh0分別為893.0 和1001.4 mV，比文獻報道數值略大（針鐵礦：768～844 mV[11,30-31]；赤鐵礦764～964 mV[11-12,30-31]），這主要是由于不同研究中使用的礦物粒徑、比表面積和合成途徑不同導致的。根據獲得的Eh0可從理論上計算不同條件下非均相體系的Eh，分析不同非均相體系的氧化還原能力，對于預測體系對污染物的還原具有重要意義。

表2 鐵氧化物-Fe(Ⅱ)aq體系Eh的模型擬合結果Table 2 Model fitting reults of Eh in iron oxide-Fe(Ⅱ)aq system

為了進一步驗證鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系是否達到熱力學平衡，通過熱力學計算鐵氧化物的溶度積，具體計算過程見電子版文后支持信息式S1～S11，根據針鐵礦和赤鐵礦的Eh0推導得到的lgKsp分別為?39.9 和?38.1，在文獻報道的范圍（?37.4～?43.7）[32-33]內，進一步說明體系達到了熱力學平衡，證明建立的鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系介導電位測定法有效。

3 結論

建立并優化了鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系的介導電位的測定方法，并應用于針鐵礦和赤鐵礦-Fe（Ⅱ）aq體系，有效解決了非均相體系Eh測定中存在的平衡緩慢、影響因素多和結果不穩定等問題，對于預測場地污染物非生物衰減速率具有重要的指示意義。但是，鐵氧化物的類型可能影響介導電位法的適用性，例如，亞穩態的水鐵礦可能因介導物質存在而發生結構變化，混合價態的磁鐵礦可能在介導物質的作用下改變化學計量比。后續將進一步探究不同類型鐵氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相體系Eh的測定方法。

支持信息

Supporting information

1 介導物質CMV 的1H-NMR 光譜

圖S1 CMV 的1H-NMR 光譜（以D2O 為溶劑，芳香族質子的1H 化學位移為：δ9.26（d；4H），8.64（d；4H）；脂肪族質子峰值由于氘交換而減少，預計峰位置在6 ppm）Figure S1 1H-NMR spectrum of CMV (D2O as solvent,1H chemical shift of aromatic proton is: δ9.26 (d;4H),8.64 (d;4H);The aliphatic proton peak is reduced due to deuterium exchange and is expected to peak at 6 ppm)

不同實驗條件下針鐵礦和赤鐵礦-Fe(II)aq 體系Eh 和適用介導物質

表S1 不同實驗條件下針鐵礦和赤鐵礦-Fe(II)aq 體系Eh 和適用介導物質Table 1 Eh and applicable mediators of goethite and hematite -Fe(II)aq system under different experimental conditions

鐵氧化物-Fe(II)aq 非均相體系的溶度積熱力學計算

為了進一步驗證鐵氧化物-Fe(II)aq非均相體系是否達到熱力學平衡，通過熱力學計算鐵氧化物的溶度積，對于針鐵礦，首先假設式1 和以下半反應（式S1）均處于熱力學平衡：

式1 和式S1 對應的Nernst 方程分別為：

在平衡時：

同理計算赤鐵礦的溶度積：

綜上，根據針鐵礦和赤鐵礦的Eh0推導得到的logKsp分別為-39.9 和-38.1，在文獻報道的范圍內（-37.4～-43.7），進一步說明體系達到了熱力學平衡，證明本研究建立的鐵氧化物-Fe(II)aq非均相體系介導電位測定法是有效的。