Cadmium Isotope Fractionation during Adsorption and Substitution with Iron (Oxyhydr)oxides

同位素分馏 分馏 化学 吸附 同位素 替代(逻辑) 无机化学 环境化学 色谱法 计算机科学 量子力学 物理 有机化学 程序设计语言
作者
Xinran Yan,Mengqiang Zhu,Wei Li,Caroline L. Peacock,Jingyuan Ma,Hanjie Wen,Fan Liu,Zhengbing Zhou,Chuanwei Zhu,Hui Yin
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (17): 11601-11611 被引量:80
标识
DOI:10.1021/acs.est.0c06927
摘要

Cadmium (Cd) isotopes have great potential for understanding Cd geochemical cycling in soil and aquatic systems. Iron (oxyhydr)oxides can sequester Cd via adsorption and isomorphous substitution, but how these interactions affect Cd isotope fractionation remains unknown. Here, we show that adsorption preferentially enriches lighter Cd isotopes on iron (oxyhydr)oxide surfaces through equilibrium fractionation, with a similar fractionation magnitude (Δ114/110Cdsolid-solution) for goethite (Goe) (-0.51 ± 0.04‰), hematite (Hem) (-0.54 ± 0.10‰), and ferrihydrite (Fh) (-0.55 ± 0.03‰). Neither the initial Cd2+ concentration or ionic strength nor the pH influence the fractionation magnitude. The enrichment of the light isotope is attributed to the adsorption of highly distorted [CdO6] on solids, as indicated by Cd K-edge extended X-ray absorption fine-structure analysis. In contrast, Cd incorporation into Goe by substitution for lattice Fe at a Cd/Fe molar ratio of 0.05 preferentially sequesters heavy Cd isotopes, with a Δ114/110Cdsolid-solution of 0.22 ± 0.01‰. The fractionation probably occurs during the transformation of Fh into Goe via dissolution and reprecipitation. These results improve the understanding of the Cd isotope fractionation behavior being affected by iron (oxyhydr)oxides in Earth's critical zone and demonstrate that interactions with minerals can obscure anthropogenic and natural Cd isotope characteristics, which should be carefully considered when applying Cd isotopes as environmental tracers.
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