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How does calcium drive the structural organization of iron–organic matter aggregates? A multiscale investigation

Authors :
Marie-Sousai Appavou
Camille Rivard
Andrea Sorrentino
Delphine Vantelon
Elaheh Lotfi-Kalahroodi
Anthony Beauvois
Anne-Catherine Pierson-Wickmann
Martine Bouhnik-Le Coz
Jacques Jestin
Thomas Bizien
Baohu Wu
Valérie Briois
Aurélien Dupont
Mélanie Davranche
Géosciences Rennes (GR)
Université de Rennes (UR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR)
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Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
LLB - Matière molle et biophysique (MMB)
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ORPHREA - ARED, Région Bretagne
'ISAAP' project, Institut national des sciences de l'Univers
ANR-10-EQPX-45, Agence Nationale de la Recherche
ANR-10-EQPX-0045,ROCK,Spectromètre EXAFS Rapide pour Cinétiques Chimiques(2010)
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Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Environmental science / Nano 7(9), 2833-2849 (2020). doi:10.1039/D0EN00412J, Environmental science‎.Nano, Environmental science‎.Nano, 2020, 7 (9), pp.2833-2849. ⟨10.1039/D0EN00412J⟩, Environmental science‎.Nano, Royal Society of Chemistry, 2020, 7 (9), pp.2833-2849. ⟨10.1039/D0EN00412J⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
Royal Society of Chemistry (RSC), 2020.

Abstract

International audience; Iron-organic matter (Fe-OM) aggregates are a key factor in the control of pollutant mobility. Their physical and structural organization depends on the prevailing physicochemical conditions during their formation and on subsequent exposure to variations in porewater goechemistry. Among these conditions, calcium (Ca) could be a major parameter given its high concentrations in the environment and its affinity for OM. Mimetic environmental Fe-OM-Ca associations were synthesized at various Fe/organic carbon (OC) and Ca/Fe molar ratios using Leonardite humic acid as OM model. The impact of Ca on Fe-OM aggregates was studied by a combination of X-ray absorption spectroscopy, small angle X-ray and neutron scattering and imaging techniques (TEM, cryo-TEM and cryo-TXM). Iron phases are constituted of Fe(III)-oligomers, Fe(III)-nanoparticles and ferrihydrite (Fh), all bound or embedded by OM. Iron phases exhibit a fractal organization with Fe-primary beads aggregated as Fe-primary aggregates (Fe-PA) which themselves are embedded in an OM aggregates. For Ca/OC (mol/mol) < 0.026, Fe-PA aggregate in a third level as a Fe-secondary aggregate. For Ca/OC ≥ 0.026, OM forms a large Ca-branched network in which Ca is bound as a dimer to OM carboxylic sites. In such conditions, Fe-PA are distributed in the OM network, distant from each other. All these structural transitions are driven by Ca which partially screens the Fe-OM interactions. The formation of such micrometric network should impact both the surface reactivity of the Fe phases as well as the mobility of Fe, OM and associated elements, notably in the soil porosity where they are produced under natural conditions.

Details

ISSN :
20518161 and 20518153
Volume :
7
Database :
OpenAIRE
Journal :
Environmental Science: Nano
Accession number :
edsair.doi.dedup.....14c0a377406a74cbf5818a5efee92456
Full Text :
https://doi.org/10.1039/d0en00412j