典型铁氧化物-Fe(Ⅱ)aq非均相体系氧化还原电位的测定方法

李欣 杨珊珊 高成杰 刘菲*

1（水利部地下水保护重点实验室（筹），北京100083）

2（水资源与环境工程北京市重点实验室，北京 100083）

3（北京市生态环境保护科学研究院，北京 100037）

铁（Fe）是地壳中含量第四丰富的元素，几乎存在于所有的水环境中[1-2]。含水层中广泛存在的铁氧化物具有氧化还原活性，在与溶解性Fe（Ⅱ）（Fe（Ⅱ）aq）相互转化的过程中，可实现对氯代溶剂、放射性核素、有毒金属以及农药等污染物的非生物降解[3-7]。铁氧化物的存在可以显著增强Fe（Ⅱ）aq的还原性，进而提高污染物降解的速率常数[8-12]。因此，含水层中铁氧化物和Fe（Ⅱ）aq组成的非均相体系在生物地球化学循环过程和污染物去除过程中具有重要作用。

监测自然衰减（MNA）是场地污染修复和风险管理的低成本策略，铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系引起的非生物降解是自然衰减的重要组成部分，但是，氯代烃等污染物的非生物衰减通常由于时间尺度很长，难以量化，需要采用其它方法进行补充判定。理论上，如果污染物去除的限速步骤发生了电子转移，则可以建立热力学指示参数与污染物去除动力学参数之间的定量关系，即建立线性自由能关系（LFERs），预测污染物衰减速率[13-15]。氧化还原电位（Eh）是表征体系还原特性的重要热力学指标，已有研究表明，Eh与硝基苯、氯代烷烃等污染物降解速率常数（Kobs）之间存在LFERs[13,16-17]。这种定量关系的建立表明可将易获取的铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系热力学参数与污染物衰减速率联系起来，对于预测场地尺度下污染物非生物自然衰减速率具有重要意义。在Fe（Ⅲ）aq-Fe（Ⅱ）aq均相体系中，Fe（Ⅱ）/Fe（Ⅲ）氧化还原对的表观氧化还原电位通常由占主导地位的Fe（Ⅱ）物种决定，Eh可以根据能斯特方程进行理论计算得到。在铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系中，Fe（Ⅱ）的活性受铁氧化物吸附、络合作用以及铁氧化物溶解度影响，难以量化吸附态Fe（Ⅱ）的活度[18]。

此外，通过电化学方法也能直接测定Eh，通常以铂电极为指示电极，Ag/AgCl 或饱和甘汞电极为参比电极，插入待测体系组成原电池进行测定。然而，对于铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系而言，电化学方法测定Eh仍存在问题，即矿物体系和工作电极之间达到氧化还原平衡需要很长时间，甚至无法达到平衡，易产生电位测量误差[19-22]。为解决该问题，研究者提出了介导电化学方法，即在体系中添加一种可溶性电子转移介导物质，使其在待测氧化还原对和工作电极表面之间反复进行电子传递，加速电子传递，快速达到平衡[22]。该方法最初用于表征腐殖质的电子转移能力[23]，之后逐渐应用于矿物非均相体系中。在实际测定过程中，由于铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相界面反应复杂，实验条件的微小差异可能导致Eh结果出现较大的误差。因此，有必要探讨不同实验条件对介导电位法测定Eh的影响，建立准确测定非均相体系电位的最佳条件，并进一步验证这种方法在不同铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq体系中的适用性。

本研究以针铁矿和赤铁矿作为典型铁氧化物，首先分析不同实验条件（厌氧条件、电极预处理、介导物质和平衡时间）对Eh测定的影响，在此基础上，建立铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系介导电位测定方法，并进一步对比分析不同矿物体系的氧化还原特性。本研究为预测铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系参与的污染物衰减速率提供了理论和方法学参考。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

877 Titrino plus 自动电位滴定仪，配有6.0451.100 型铂环氧化还原复合电极（瑞士万通公司）；CHI660E 电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）。

针铁矿购自Sigma-Aldrich 公司，赤铁矿购自Strem Chemicals 公司，经研磨后过200 目（筛孔74 μm）筛，比表面积分别为15.14 和10.28 m2/g。根据实验条件选用4 种单电子转移介导物质，信息见表1。

FeCl2·6H2O（美国Sigma 公司）;KCl（国药集团化学试剂有限公司）；4,4-联吡啶（北京迈瑞达科技有限公司）；氧化氘（D2O）等其它试剂（上海麦克林生化科技股份有限公司）。所用试剂均为分析纯及以上纯度；实验用水为超纯水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 介导物质的合成和表征

1.2.1 介导物质氰甲基紫精(CMV)的合成

参考文献[24-25]的方法合成介导物质CMV，并以D2O 为溶剂，对合成的CMV 进行核磁共振氢谱（1H NMR）测定，确定CMV 为主要合成产物（电子版文后支持信息图S1）。

1.2.2 循环伏安(CV)测试

在8～10 mL pH=7 的初始背景溶液（25 mmol/L KCl，25 mmol/L 3-（N-吗啡啉）丙磺酸（MOPS））中加入1 mmol/L 介导物质，采用三电极体系（6 mm 直径玻碳工作电极、铂丝对电极和Ag/AgCl 参比电极，参比液为饱和KCl 溶液），在CHI660E 电化学工作站上，以10 mV/s 的扫速进行CV 扫描。

1.3 样品配制

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储备液（200 mmol/L），设置不同Fe（Ⅱ）aq初始浓度，采用KOH 和HCl 调节pH 值，充分混合后，采用邻菲罗啉分光光度法测定Fe（Ⅱ）aq的初始浓度。然后添加铁氧化物，加入介导物质，置于恒温振荡器，在25℃、175 r/min 条件下混合（20±4）h，取样过0.22 μm 过滤器，测定吸附后溶液中Fe（Ⅱ）aq浓度。所有样品均设置3 个平行样；对照实验除不加介导物质外，其它条件相同。

1.4 介导电位测定

为排除氧气干扰，所有溶液需经N2曝气1 h 以上，或使用无氧水配制。实验操作在密封反应器N2曝气下进行，或者在厌氧手套箱（95% N2，5% H2）中进行。此外，所有溶液、器皿和铁氧化物在使用前需在手套箱内放置12 h 以上。

电极预处理 铂环氧化还原复合电极在长时间测定后需要进行预处理恢复电极状态。将其浸泡在0.1 mol/L HCl 溶液中可去除表面吸附物质或氧化膜，浸泡在3 mol/L KCl 溶液中可恢复被稀释的参比液浓度。

样品测定 将经预处理的铂环氧化还原复合电极插入实验样品液下2 cm 处，磁力搅拌条件下采用电位滴定仪连续测定电位，每隔2 s 记录一次数据，每次测定30 min，介导电位测定示意图如图1 所示。以铂环为工作电极，Ag/AgCl 为参比电极，3 mol/L KCl 为参比溶液，结果转换为参比标准氢电极的电位值（vsSHE）。

图1 介导电位测定示意图Fig.1 Schematic diagram of the measurement of mediated potentiometric

电极校准和电位转换值测定 通过两种ORP 标准溶液校准电极并测定电位转换值，即在pH=4.01和pH=6.86 缓冲液中加过量醌氢醌，标准电位值Eh（vsSHE）分别为462 和296 mV，Eh（vsSHE）与测定的Eh（vsAg/AgCl）的平均差值为电位转换值，在整个实验过程中，此转换值变化应不超过20 mV。

2 结果与讨论

2.1 介导电位测定方法及优化

铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系属于弱平衡体系，与工作电极接触面积小，易在电极表面形成沉淀，导致其与工作电极的电子转移达到平衡所需时间较长，增加了快速准确测定Eh的难度[20-21,26]。介导电位法可克服平衡时间长的缺点，但会受氧气、电极状态、平衡时间和介导物质等多种因素影响，所以需进一步考察不同实验条件对体系介导电位测定结果的影响，以优化和改进测定方法。

2.1.1 厌氧条件对Eh的影响

由于Fe（Ⅱ）aq易被氧气氧化，铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系的电位测定需要保持厌氧环境。实验室中有两种方法控制测定过程中厌氧条件：样品经充分曝气后直接在厌氧手套箱内进行测定；或者在密封反应容器中进行测定，但是由于需开孔插入电极，长时间测定无法保证完全密封，需另开进气孔和出气孔，通过N2吹扫驱除顶空氧气。两种方法各有优缺点，以针铁矿-Fe（Ⅱ）aq体系为例，对比了不同厌氧控制方法的效果，所有样品溶液都经N2曝气驱氧（＞1 h），控制溶液的溶解氧DO ＜0.1 mg/L，结果如图2 所示。在手套箱外N2吹扫条件下，介导电位和非介导电位测定的结果都不稳定，仍会使氧气侵入顶空，造成Eh回弹；采用在厌氧手套箱内进行测定可避免Eh回弹现象，非介导电位随时间延长而缓慢降低，而介导电位则在短时间内有所降低，此后保持稳定。因此，铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系电位的测定需要在手套箱内严格控制厌氧条件，否则亚铁会被氧化，造成Eh回弹。上述结果表明，在场地监测过程中需要重视控制样品厌氧条件，采取严格的取样、运输和储存技术，尤其是对于铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系，应在实验室手套箱厌氧环境下进行电位测定。Kocur 等[17]采用低温岩芯取样、冷冻运输储存和厌氧室内密封等一系列处理方法，保证了场地介质样品的完整性和生物地球化学条件，并在厌氧手套箱内准确测定了介质的Eh。

图2 不同厌氧控制方法对氧化还原电位（Eh）的影响：（a）N2 曝气下的非介导电位；（b）N2 曝气下的介导电位；（c）厌氧手套箱中的非介导电位；（d）厌氧手套箱中的介导电位实验条件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 缓冲液；1 g/L 针铁矿；Fe（Ⅱ）aq 初始浓度为1 mmol/L，pH=6；介导电位组添加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 电极预处理的影响

电极表面状态对Eh测定有重要影响。一方面，工作电极（铂电极）不是绝对惰性的，在待测体系中表面容易形成氧化膜或吸附其它物质，从而影响各氧化还原电对在铂电极上的电子交换速率[27]，需要进行清洗。常用的清洗铂电极的方法包括酸洗和超声清洗法，而在手套箱内超声操作不便，通常采用酸洗清洗。另一方面，长时间测定会导致电极内参比液稀释，定期浸泡在3 mol/L KCl 溶液中可恢复参比液浓度。在进行大量样品测定时，不仅需保证每次测定电极状态一致，而且需综合考虑时间成本，所以本研究每次测定前均进行电极预处理。以未处理电极为对照组，0.1 mol/L HCl 和3 mol/L KCl 溶液预处理电极为实验组，分析了电极预处理对介导Eh测定的影响。如图3 所示，未进行电极预处理时，连续多次测定的介导电位结果相差较大（最大相差达60 mV），说明结果不准确。这是因为多次测定会在电极表面不断发生电子转移，产生记忆效应，后续的测定值是在之前Eh基础上的叠加；而电极分别在HCl 和KCl 溶液中浸泡预处理5 min 后，3 次测定的介导电位相差小于5 mV，具有较好的重现性。

图3 电极预处理对Eh 的影响：（A）未预处理组；（B）预处理组a～c，3 次重复测定曲线。25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 缓冲液，1 g/L 针铁矿，1 mmol/L 初始Fe（Ⅱ）aq 浓度，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 介导物质的筛选

选择合适的介导物质是建立介导电位有效测定方法的关键。介导物质在工作电极和测定的氧化还原对之间反复进行氧化还原过程，加速了电子在初级电子供体与终极电子受体间的传递进程，进而使工作电极通过介导物质发生电子转移，间接获得测定的铁氧化还原对的氧化还原状态[22,28-29]。介导电化学中所使用的介导物质需要满足一定的条件，包括良好的溶解性、稳定性、电子转移可逆性、具有明确定义的标准还原电位Eh0和电子与质子转移数量、不与待测体系中的物质发生吸附等[22]。此外，根据能斯特方程，单电子转移的介导物质在电子转移时电位的变化为Eh0±120 mV，超出这个范围，Eh值就难以控制和精确测量。因此，在介导电位测定过程中需要筛选适用于不同实验条件的介导物质。首先，参考文献选择了4 种单电子介导物质[25]，并对其进行了CV 测试（图4），介导物质半波电位与文献报道的Eh0值一致，表明介导物质的有效且电子转移可逆，可用于介导电位测定。采用试错法筛选不同实验条件下适用的介导物质，以pH=6，1 mmol/L Fe（Ⅱ）aq的针铁矿体系为例（图5），添加介导物质Ru 可有效促进电位快速降低，并达到平衡，而添加CMV、DQ 和ETV 没有效果，这主要是由于体系平衡电位（35 mV）在Ru的有效介导范围（‒30～210 mV[25]）内，超出了其它介导物质的介导范围[25]。

图4 介导物质的循环伏安图Fig.4 Cyclic voltammetry curves of the mediators

图5 不同介导物质对Eh 的影响实验条件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 缓冲液，1 g/L 针铁矿，1 mmol/L 初始Fe（Ⅱ）aq 浓度，pH=6，10 μmol/L 介导物质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，在介导电位测定过程中，介导物质的浓度应远小于Fe（Ⅱ）或Fe（Ⅲ）的浓度。一方面，可以保证测定的是Fe（Ⅲ）和Fe（Ⅱ）氧化还原对的Eh，而不是介导物质的Eh；另一方面，可以保证介导物质不会导致Fe（Ⅱ）氧化或Fe（Ⅲ）还原，从而改变非均相体系原来的Eh。本研究分析了不同浓度介导物质对Eh的影响，结果如图6 所示，在添加10～50 μmol/L 介导物质的条件下，体系Eh差异很小，不超过0.5 mV，说明10～50 μmol/L 的介导物质不会影响Eh测定，最终选择介导物质最小浓度10 μmol/L 进行介导电位的测定。

图6 介导物质Ru 浓度对Eh 的影响实验条件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 缓冲液，1 g/L 针铁矿，1 mmol/L 初始Fe（Ⅱ）aq 浓度，pH=6，0～50 μmol/L 介导物质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 平衡电位时间的选择

在Eh测定过程中，通常将某一时间点的稳定电位（5 min 内电位变化值不大于1mV）视为相对平衡电位。由于铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系属于弱平衡体系，非介导电位测定过程中达到平衡所需时间很长，如图5 所示，针铁矿-Fe（Ⅱ）aq非均相体系的非介导电位在30 min 也未达到平衡，添加介导物质后，电位在5 min 内达到平衡。因此，选择介导电位法测定铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系Eh的平衡时间为5 min。

基于厌氧条件、电极预处理条件、介导物质筛选和平衡时间选择的优化，最终建立了以针铁矿和赤铁矿为典型的铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系介导电位的快速准确测定方法。首先，需要严格保证厌氧条件，实验溶液经N2曝气至DO ＜0.1 mg/L，所有样品和实验用品在厌氧箱中放置过夜，并在厌氧手套箱内进行测定；其次，两次测定之间，氧化还原电极分别在0.1 mol/L HCl 和3 mol/L KCl 溶液中浸泡5 min，恢复电极状态；测定前选择适用的介导物质，在连续测定5 min 后确定体系的平衡电位。

2.2 针铁矿和赤铁矿-Fe(Ⅱ)aq非均相体系的介导电位测定结果

采用优化的介导电位测定方法，分别测定不同实验条件下针铁矿和赤铁矿-Fe（Ⅱ）aq体系的Eh，结果如图7 所示，随着Fe（Ⅱ）aq初始浓度和pH 值增大，非均相体系的Eh都逐渐降低，即还原能力增强，与文献报道一致[11,13]。为了定量分析及验证是否为平衡Eh，建立针铁矿和赤铁矿-Fe（Ⅱ）aq电子转移半反应（公式（1）和（2）），由于两种体系电子和质子转移数量一致，可用同一个能斯特方程描述（公式（3））：

图7 不同pH 值和Fe（Ⅱ）aq 浓度下（A）针铁矿-Fe（Ⅱ）aq 体系和（B）赤铁矿-Fe（Ⅱ）体系的Eh实验条件：25 mmol/L KCl，25 mmol/L MOPS 缓冲液，1 g/L 铁氧化物，10 μmol/L 介导物质；误差棒代表三次平行实验的标准偏差；虚线表示模型拟合结果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

针铁矿：

赤铁矿：

其中，R是理想气体常数，T是绝对温度，F是法拉第常数，{Feaq2+}和{H+}分别代表Feaq2+和H+的活度。在室温（298 K）下，公式（3）可改写为公式（4）：

实验体系中的离子强度主要受缓冲液（25 mmol/L）的pH 值和KCl 背景电解液（25 mmol/L）控制，利用Visual Minteq v3.3 计算得到实验体系中Fe（Ⅱ）aq的活度系数约为0.51。

将实验测得的Eh数据与能斯特方程进行拟合。通过最小二乘法多元线性拟合法得到Eh0值、Fe（Ⅱ）aq项的斜率和pH 项的斜率，针铁矿和赤铁矿体系的Fe（Ⅱ）aq项斜率分别为（‒46.8±3.5）mV 和（‒58.585±7.6）mV，pH 项斜率分别为（‒178.3±3.1）mV 和（‒174.1±7.6）mV，斜率均接近于理论值‒59和‒177 mV，说明针铁矿和赤铁矿非均相体系的反应是包括1 个电子和3 个质子的转移过程，符合能斯特方程。为了进一步准确评估拟合效果和计算Eh0，固定斜率为理论值，采用线性回归独立拟合每一个pH值条件下的Eh数据。如表2 所示，所有结果的R2≥0.8，具有较好的拟合结果，方差分析的p＜0.05，说明拟合模型具有统计学意义。根据拟合可进一步计算得到针铁矿和赤铁矿的Eh0分别为893.0 和1001.4 mV，比文献报道数值略大（针铁矿：768～844 mV[11,30-31]；赤铁矿764～964 mV[11-12,30-31]），这主要是由于不同研究中使用的矿物粒径、比表面积和合成途径不同导致的。根据获得的Eh0可从理论上计算不同条件下非均相体系的Eh，分析不同非均相体系的氧化还原能力，对于预测体系对污染物的还原具有重要意义。

表2 铁氧化物-Fe(Ⅱ)aq体系Eh的模型拟合结果Table 2 Model fitting reults of Eh in iron oxide-Fe(Ⅱ)aq system

为了进一步验证铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系是否达到热力学平衡，通过热力学计算铁氧化物的溶度积，具体计算过程见电子版文后支持信息式S1～S11，根据针铁矿和赤铁矿的Eh0推导得到的lgKsp分别为‒39.9 和‒38.1，在文献报道的范围（‒37.4～‒43.7）[32-33]内，进一步说明体系达到了热力学平衡，证明建立的铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系介导电位测定法有效。

3 结论

建立并优化了铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系的介导电位的测定方法，并应用于针铁矿和赤铁矿-Fe（Ⅱ）aq体系，有效解决了非均相体系Eh测定中存在的平衡缓慢、影响因素多和结果不稳定等问题，对于预测场地污染物非生物衰减速率具有重要的指示意义。但是，铁氧化物的类型可能影响介导电位法的适用性，例如，亚稳态的水铁矿可能因介导物质存在而发生结构变化，混合价态的磁铁矿可能在介导物质的作用下改变化学计量比。后续将进一步探究不同类型铁氧化物-Fe（Ⅱ）aq非均相体系Eh的测定方法。

支持信息

Supporting information

1 介导物质CMV 的1H-NMR 光谱

图S1 CMV 的1H-NMR 光谱（以D2O 为溶剂，芳香族质子的1H 化学位移为：δ9.26（d；4H），8.64（d；4H）；脂肪族质子峰值由于氘交换而减少，预计峰位置在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)

不同实验条件下针铁矿和赤铁矿-Fe(II)aq 体系Eh 和适用介导物质

表S1 不同实验条件下针铁矿和赤铁矿-Fe(II)aq 体系Eh 和适用介导物质Table 1 Eh and applicable mediators of goethite and hematite -Fe(II)aq system under different experimental conditions

铁氧化物-Fe(II)aq 非均相体系的溶度积热力学计算

为了进一步验证铁氧化物-Fe(II)aq非均相体系是否达到热力学平衡，通过热力学计算铁氧化物的溶度积，对于针铁矿，首先假设式1 和以下半反应（式S1）均处于热力学平衡：

式1 和式S1 对应的Nernst 方程分别为：

在平衡时：

同理计算赤铁矿的溶度积：

综上，根据针铁矿和赤铁矿的Eh0推导得到的logKsp分别为-39.9 和-38.1，在文献报道的范围内（-37.4～-43.7），进一步说明体系达到了热力学平衡，证明本研究建立的铁氧化物-Fe(II)aq非均相体系介导电位测定法是有效的。