Sequestration of soil organic matter by nanominerals: experimental approach to the formation of organo-mineral complex from biotite alteration products
Séquestration des matières organiques des sols par les nanominéraux : approche expérimentale de la formation de complexes organo-minéraux à partir des produits d'altération de la biotite
Résumé
Among soil organic matter (SOM) stabilization mechanisms, molecular scale organo-mineral interactions are thought to play a major role in stabilizing organic compounds. Because of their large surface area and reactivity, nanometric-size soil mineral phases have a high potential for SOM stabilization. In the literature, Fe and Al phases have been the main targets of batch-synthesized nanomineral studies while nano-aluminosilicates (phases in which Al is associated with Si) have been mainly studied in Andic soils. Whatever the phases concerned, the generic process that results in the formation of nanominerals results from (1) the continuous alteration of the primary minerals, which releases ionic species and (2), the polymerization through hydrolysis (i.e. precipitation) of these species that form nanominerals at the interface between the primary mineral and the soil solution. In the present work, we conducted laboratory simulations of the subsequent processes to biotite alteration in acidic conditions and the resulting neoformations, from an Al Si Fe Mg K and C system, of secondary nanominerals after hydrolysis of the dissolved species. Their morphology, size, crystallinity and chemistry were characterized by TEM-EDX on single particles and their local atomic structure by EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) at the Fe absorption K-edge.
In the absence of C, the main nanominerals formed were amorphous particles 10 to 60 nm in size whose composition (dominated by Fe and Si) was strongly controlled by the pH conditions at the end of the hydrolysis. At pH 4.2 and pH 7, the structure of the nanominerals was dominated by the polymerization of Fe, which was hindered by Al, Si, Mg and K. Conversely, at pH 5, the polymerization of Fe was counteracted by precipitation of high amounts of Si. In comparison with previous alteration studies, the synthetized nanominerals were estimated to be rather analogous to nanominerals formed in natural biotite-bearing soils. Because of their small size and potential high surface reactivity, the adsorption capacities of these nanominerals with respect to the OM should be considered in the framework of soil C stabilization issues.
In the presence of C, precipitates were still amorphous ranging in size from 2 to 200 nm. This size increased with increasing C presence until a ‘molar concentration ratio’ value of Metal:Carbon=1 and showed a decline after. Precipitation resulted into two distinct size ranges. Composition of the smaller particles was closer to the leachate solution. While for the larger particles, composition (dominated by Fe and Si) was strongly controlled by the C concentration. At No C and M:C=10, the chemistry of the nanominerals was dominated by Si. While conversely, M:C=1,0.1 and 0.01, the nanominerals were mainly Fe based. Interesting in these findings is the change in composition between smaller and larger particles in addition to the significant role played by Si, which is often overlooked in previous mineral formation studies. Therefore, the results of this study give an important overlook of the affinity of different inorganic species to varying C concentrations in natural soil systems. And finally, the specifics of these same results have effectively replicated nanominerals and their formation processes found in some natural systems such as andosols and podzols, at least part of the system, where OM is efficiently stabilized.
Parmi les mécanismes de stabilisation de la matière organique du sol (SOM), on pense que les interactions organo-minérales à l'échelle moléculaire jouent un rôle majeur dans la stabilisation des composés organiques. En raison de leur grande surface et de leur réactivité, les phases minérales du sol de taille nanométrique présentent un fort potentiel de stabilisation de la MOS. Dans la littérature, les phases Fe et Al ont été les principales cibles des études nanominérales synthétisées par lots tandis que les nano-aluminosilicates (phases dans lesquelles Al est associé à Si) ont été principalement étudiés dans les sols andins. Quelles que soient les phases concernées, le processus générique qui aboutit à la formation de nanominéraux résulte (1) de l'altération continue des minéraux primaires, libérant des espèces ioniques et (2) de la polymérisation par hydrolyse (précipitation) de ces espèces formant nanominéraux à l'interface entre le minéral primaire et la solution du sol. Dans le présent travail, nous avons effectué des simulations en laboratoire des processus subséquents à l'altération de biotite dans des conditions acides et les néoformations résultantes, à partir d'un système Al Si Fe Mg K et C, de nanominéraux secondaires après hydrolyse des espèces dissoutes. Leur morphologie, taille, cristallinité et chimie ont été caractérisées par TEM-EDX sur des particules uniques et leur structure atomique locale par EXAFS (Extended Fine Absorption Absorption Structure) au bord K d'absorption de Fe.
En l'absence de C, les principaux nanominéraux formés étaient des particules amorphes de 10 à 60 nm dont la composition (dominée par Fe et Si) était fortement contrôlée par les conditions de pH à la fin de l'hydrolyse. À pH 4,2 et pH 7, la structure des nanominéraux était dominée par la polymérisation de Fe, qui était gênée par Al, Si, Mg et K. Inversement, à pH 5, la polymérisation du Fe était neutralisée par la précipitation de grandes quantités de Si. En comparaison avec les études d'altération précédentes, les nanominéraux synthétisés ont été estimés être plutôt analogues aux nanominéraux formés dans des sols naturels contenant de la biotite. En raison de leur petite taille et de leur réactivité de surface élevée potentielle, les capacités d'adsorption de ces nanominéraux par rapport à l'OM devraient être considérées dans le cadre des problèmes de stabilisation du C du sol.
En présence de C, les précipités étaient encore amorphes dont la taille variait de 2 à 200 nm. Cette taille augmente avec l'augmentation de la présence de C jusqu'à une valeur de «rapport de concentration molaire» de Métal: Carbone = 1 et montre une baisse après. La précipitation résultait en deux plages de taille distinctes. La composition des plus petites particules était plus proche de la solution de lixiviat. Alors que pour les plus grosses particules, la composition (dominée par Fe et Si) était fortement contrôlée par la concentration en C. À No C et M: C = 10, la chimie des nanominéraux était dominée par Si. Alors qu'à l'inverse, M: C = 1,0,1 et 0,01, les nanominéraux étaient principalement à base de Fe. Ce qui est intéressant dans ces résultats est le changement de composition entre les particules plus petites et plus grosses en plus du rôle important joué par le Si, qui est souvent négligé dans les études de formation minérale précédentes. Par conséquent, les résultats de cette étude donnent un important point de vue sur l'affinité de différentes espèces inorganiques avec les concentrations variables de C dans les systèmes de sols naturels. Et enfin, les spécificités de ces mêmes résultats ont effectivement répliqué les nanominéraux et leurs processus de formation trouvés dans certains systèmes naturels tels que les andosols et les podzols, au moins une partie du système, où OM est efficacement stabilisé.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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