Environmental Soil Chemistry - Agriculturee- Soil Soil Chemistry: ... can be defined as the study of the chemical and physical forms and distri-bution of contaminants in soils, sediments, ...

Download Environmental Soil Chemistry - Agriculturee-  Soil   Soil Chemistry: ... can be defined as the study of the chemical and physical forms and distri-bution of contaminants in soils, sediments, ...

Post on 05-Apr-2018

218 views

Category:

Documents

4 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<ul><li><p>Environmental Soil Chemistry</p><p>Second Edition</p></li><li><p>This Page Intentionally Left Blank</p></li><li><p>EnvironmentalSoilChemistrySecond Edition</p><p>Donald L. SparksUniversity of Delaware</p><p>Amsterdam Boston London New York Oxford Paris San Diego San Francisco Singapore Sydney Tokyo</p></li><li><p>Senior Publishing Editor Charles R. Crumly, Ph.DSenior Project Manager Julio EsperasEditorial Assistant Christine VogeleiMarketing Manager Anne OMaraCover Design Gary RagagliaCopyeditor Charles Lauder, Jr.Production Services Lorretta PalagiComposition RDC TechPrinter China Translation &amp; Printing Services, Ltd.</p><p>This book is printed on acid-free paper. </p><p>Copyright 2003, Elsevier Science (USA).</p><p>All rights reserved.No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by anymeans, electronic or mechanical, including photocopy, recording, or any informationstorage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.</p><p>Requests for permission to make copies of any part of the work should be mailed to:Permissions Department, Harcourt, Inc., 6277 Sea Harbor Drive, Orlando, Florida32887-6777.</p><p>Academic PressAn imprint of Elsevier Science525 B Street, Suite 1900, San Diego, California 92101-4495, USAhttp://www.academicpress.com</p><p>Academic Press 84 Theobalds Road, London, WC1X 8RR, UKhttp://www.academicpress.com</p><p>Library of Congress Control Number: 2002104258</p><p>International Standard Book Number: 0-12-656446-9</p><p>PRINTED IN THE UNITED STATES OF AMERICA</p><p>02 03 04 05 06 07 CTP 9 8 7 6 5 4 3 2 1</p></li><li><p>For Joy and my doctoral advisors, David C. Martens and Lucian W. Zelazny</p></li><li><p>This Page Intentionally Left Blank</p></li><li><p>Table of Contents</p><p>Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii</p><p>Environmental Soil Chemistry: An Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Evolution of Soil Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2</p><p>The Modern Environmental Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3</p><p>Contaminants in Water and Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Acid Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Trace Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Hazardous Wastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19</p><p>Case Study of Pollution of Soils and Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19</p><p>Soil Decontamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23In Situ Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Non-in-Situ Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27</p><p>Molecular Environmental Soil Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Electromagnetic Spectrum of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31X-Ray Absorption Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Other Molecular-Scale Spectroscopic and Microscopic Techniques . . . . . . . . . . 37</p><p>Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41</p><p>Inorganic Soil Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43</p><p>Paulings Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44</p><p>Primary Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50</p><p>Secondary Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Phyllosilicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Oxides, Hydroxides, and Oxyhydroxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Carbonate and Sulfate Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61</p><p>Specific Surface of Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62External Surface Area Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Total Surface Area Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63</p><p>Surface Charge of Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Types of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Cation Exchange Capacities of Secondary Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . 64</p><p>CHAPTER 1</p><p>CHAPTER 2</p></li><li><p>Identification of Minerals by X-Ray Diffraction Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Clay Separation and X-Ray Diffraction Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69</p><p>Use of Clay Minerals to Retain Organic Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71</p><p>Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72</p><p>Chemistry of Soil Organic Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75</p><p>Effect of Soil Formation Factors on SOM Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77</p><p>Carbon Cycling and Sequestration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79</p><p>Composition of SOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82</p><p>Fractionation of SOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88</p><p>Molecular and Macromolecular Structure of SOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91</p><p>Functional Groups and Charge Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98</p><p>Humic SubstanceMetal Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Factors Affecting MetalComplexant (Ligand) Interactions . . . . . . . . . . . . . . 102Determination of Stability Constants of MetalHS Complexes . . . . . . . . . . . 106Effect of HSMetal Complexation on Metal Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Effect of HSAl3+ Complexes on Plant Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Effect of HS on Mineral Dissolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109</p><p>SOMClay Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Mechanisms of Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110</p><p>Retention of Pesticides and Other Organic Substances by Humic Substances . . . 111</p><p>Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112</p><p>Soil SolutionSolid Phase Equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115</p><p>Measurement of the Soil Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116</p><p>Speciation of the Soil Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118</p><p>Ion Activity and Activity Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124</p><p>Dissolution and Solubility Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Stability Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128</p><p>Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132</p><p>Sorption Phenomena on Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Introduction and Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133</p><p>Surface Functional Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141</p><p>Surface Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142</p><p>Adsorption Isotherms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147</p><p>Equilibrium-based Adsorption Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150Freundlich Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150Langmuir Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151Double-Layer Theory and Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153</p><p>viii Contents</p><p>CHAPTER 3</p><p>CHAPTER 4</p><p>CHAPTER 5</p></li><li><p>Surface Complexation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Deficiencies of Double-Layer and Surface Complexation Models . . . . . . . . . . 172</p><p>Sorption of Metal Cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172</p><p>Sorption of Anions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174</p><p>Surface Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177</p><p>Speciation of Metal-Contaminated Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181</p><p>Points of Zero Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183Definition of Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183</p><p>Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185</p><p>Ion Exchange Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187</p><p>Characteristics of Ion Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188</p><p>Cation Exchange Equilibrium Constants and Selectivity Coefficients . . . . . . . . . . 190Kerr Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190Vanselow Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190Other Empirical Exchange Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192</p><p>Thermodynamics of Ion Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192Experimental Interpretations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198</p><p>Relationship Between Thermodynamics and Kinetics of Ion Exchange . . . . . . . . . 203</p><p>Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204</p><p>Kinetics of Soil Chemical Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Rate-Limiting Steps and Time Scales of Soil Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . 207</p><p>Rate Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210</p><p>Determination of Reaction Order and Rate Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211</p><p>Kinetic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214Elovich Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214Parabolic Diffusion Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215Fractional Power or Power Function Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216Comparison of Kinetic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216</p><p>Multiple Site Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Chemical Nonequilibrium Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Physical Nonequilibrium Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221</p><p>Kinetic Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222Batch Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222Flow Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Relaxation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225Choice of Kinetic Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227</p><p>Effect of Temperature on Reaction Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227</p><p>Kinetics of Important Soil Chemical Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228SorptionDesorption Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228</p><p>Contents ix</p><p>CHAPTER 6</p><p>CHAPTER 7</p></li><li><p>Kinetics of Metal Hydroxide Surface Precipitation/Dissolution . . . . . . . . . . . 232Ion Exchange Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237Kinetics of Mineral Dissolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238</p><p>Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244</p><p>Redox Chemistry of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245OxidationReduction Reactions and Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245</p><p>Eh vs pH and pe vs pH Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249</p><p>Measurement and Use of Redox Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253</p><p>Submerged Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254</p><p>Redox Reactions Involving Inorganic and Organic Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . 255Mechanisms for Reductive Dissolution of Metal Oxides/Hydroxides . . ....</p></li></ul>

Recommended

View more >