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Interaction between ferric hydroxides and dissolved sulfide in anoxic aquifers: Pathway and kinetics of iron and sulfur products formation

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Wan, Moli:
Interaction between ferric hydroxides and dissolved sulfide in anoxic aquifers: Pathway and kinetics of iron and sulfur products formation.
Bayreuth , 2015 . - VIII, 179 p.
( Doctoral thesis, 2015 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Electron Transfer Processes in Anoxic Aquifers580

Project financing: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Abstract in another language

The interaction between ferric iron (Fe(III)) and sulfide (S(-II)) is of great importance in permanent or temporary anoxic environments. It is a major component of the biogeochemical cycling of both iron and sulfur and eventually of carbon. Electron transfer between ferric iron and sulfide leads to elemental sulfur and metastable iron sulfide minerals and finally to a thermodynamically more stable iron sulfide, which is pyrite. Pyrite formation, as a significant early diagenesis process, plays an undeniable role as a global sink for the elements Fe and S. Therefore, the interaction of ferric iron and sulfide, especially pyrite formation, has been studied for quite a long time. However, questions remain regarding the role of electron transfer between ferric iron and sulfide on the intermediates and pyrite (end product) formation. The objectives of this dissertation are therefore i) to understand the influence of chemical properties of ferric hydroxides on the kinetics of electron transfer between S(-II) and Fe(III) and eventually on the formation of different intermediated products, ii) to characterize the properties and the fates of intermediate products, iii) to study the pathway and kinetics of the end product, i.e. pyrite formation and, iv) to develop a framework of sulfide reacting with ferric iron at the surface or near-surface regime. We investigated the reactions between aqueous sulfide and ferric hydroxides at neutral pH in an anoxic glove box. The initial ratio of Fe/S was adjusted to be ‘high’ (HR) where excess ferric iron remained after a complete consumption of sulfide and ‘low’ (LR) where excess sulfide remained after a complete consumption of ferric iron. Species were examined with wet chemical analysis as well as solid phase analytic methods including Transmission Electron Microscopy (TEM), Mössbauer spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
Results indicate complex interactions between ferric iron and sulfide. Wet chemical analysis suggests different dynamics in HR and LR experiments. In all experiments sulfide was oxidized within the first 3 h, and a pool of acid extractable ferrous iron (Fe(II)HCl) and methanol extractable sulfur (MES) built up. In HR experiments a decrease of Fe(II)HCl and MES, which was accompanied by pyrite formation, occurred after 24 - 48 h. By contrast, no pyrite formation was observed up to 2160 h in the LR experiments. A significant fraction of generated Fe(II)HCl, could not be recovered as stoichiometric FeS (or mackinawite), which is consistent with previous studies (“excess Fe(II)”) (Hellige et al., 2012; Poulton, 2003; Poulton et al., 2004). The formation of the “excess Fe(II)” seems compete with the formation of FeS/mackinawite. The excess Fe(II) concentration depends on the initial ratio of Fe/S as well as the mineralogical reactivity (represented by mineral types and surface area) of ferric iron. Higher Fe/S ratio and higher reactivity lead to higher excess Fe(II) concentration and less FeS/mackinawite concentration. Furthermore, XPS analysis confirmed that not only elemental sulfur but also polysulfides were the main oxidized sulfur products.. The polysulfides, with predominance of disulfide, accumulated mainly at the mineral surface and could be extracted by methanol with an appropriate pre-treatment with zinc acetate. Therefore, the MES pool comprised elemental sulfur, aqueous polysulfides and surface polysulfides. Rapid pyrite formation in HR experiments is closely linked to the formation of excess Fe(II). The presence of excess Fe(II) and polysulfides at the surface may lead to the potential formation of non-crystalline iron-polysulfide species and a supersaturation with respect to pyrite, thereby inducing rapid pyrite formation in the HR experiment. The rapid pyrite formation has been proposed as a ‘novel’ polysulfide pathway because ferrous iron and disulfide for pyrite formation originate directly from the excess Fe(II) and surface polysulfide. The rapid pyrite formation via this ‘novel’ polysulfide pathway is not kinetically controlled by the FeS dissolution. By contrast, pyrite in LR experiments formed via the normal polysulfide pathway that ferrous iron for pyrite formation is only from FeS dissolution. Pyrite formation in LR experiments is therefore kinetically controlled by FeS dissolution. The formation of iron polysulfide may influence the electromagnetic properties of ferrous iron in FeS/mackinawite, leading to an occurrence of magnetic ordering at 4.2 K. The magnetic ordering is represented by an asymmetric six-line in the Mössbauer spectrum (at 4.2 K). The spectrum of mixed iron sulfide phases generated during Fe(III)-S(-II) interaction is very different from that of pure FeS freshly precipitated from homogeneous solution of ferrous iron and sulfide, which showed no magnetic ordering (a single-line spectrum) at 4.2 K. The pure FeS phase is not stable and tends to transform into the mixed iron sulfide phases.
Three key findings from this thesis can be highlighted that help to understand the interaction between iron and sulfur biogeochemistry:
1) The occurrence of surface polysulfide subverts the previous consideration that polysulfide presents only in the solution and may play an overlooked role in both abiotic and biotic sulfur cycling.
2) The Fe/S ratio controlling the kinetics and pathway of pyrite can be applied as an indicator to predict rapid pyrite formation, especially in the temporary anoxic environments.
3) Complex Mössbauer spectra of iron sulfide phases reveal that the properties, especially the electromagnetic property of Fe in mackinawite, can be easily altered by impurities. Results call for the characterization of different iron sulfide minerals (especially mackinawite) with Mössbauer spectroscopy combining a strict synthesis protocol and the investigation of phase transformation among these iron sulfide minerals.

Abstract in another language

Die Wechselwirkungen zwischen Eisen(III) und Sulfid sind in durchgehend oder vorübergehend anoxischen Umgebungen von großer Bedeutung. Sie sind eingebunden im biogeochemischen Kreislauf von Eisen, Schwefel und schließlich auch von Kohlenstoff. Die Elektronenübertragung zwischen Eisenhydroxiden und Sulfid führt zu elementarem Schwefel und metastabilen Eisensulfidmineralen und schließlich zu Pyrit, einem thermodynamisch stabileren Eisensulfid. Die Pyritbildung, die ein bedeutender frühzeitiger Diagenese-Prozess ist, spielt eine unbestreitbare Rolle als globale Senke für die Elemente Fe und S. Deshalb wurden die Wechselwirkungen zwischen Eisen(III) und Sulfid, besonders die Pyritbildung, seit sehr langer Zeit untersucht. Jedoch bleiben Fragen bezüglich der Rolle der Elektronenübertragung zwischen Eisenhydroxiden und Sulfid für die Bildung der Zwischenprodukte und von Pyrit. Die Ziele dieser Doktorarbeit sind deshalb i) den Einfluss der chemischen Eigenschaften der Eisenhydroxide auf die Kinetik der Elektronenübertragung zwischen S(-II) und Fe(III) und schließlich auf die Bildung verschiedener Zwischenprodukte zu verstehen, ii) die Eigenschaften und das Verhalten von Zwischenprodukten zu charakterisieren, iii) den Verlauf und die Kinetik der Ausbildung des Endproduktes, d.h. die Pyritbildung, zu verstehen, und iv) ein Konzept zu entwickeln, das die Elektronenübertragung zwischen Sulfid und Eisenhydroxiden an Oberflächen und in deren Nähe beschreibt.
Deshalb untersuchte diese Arbeit die Reaktionen von gelöstem Sulfid und verschiedenen Eisenhydroxiden bei neutralem pH unter anoxischen Bedingungen. Das anfängliche Verhältnis von Fe/S wurde auf „hoch“ (HR) eingestellt, wenn die Eisenhydroxidkonzentration nach vollständigenVerbrauch von Sulfid im Übermaß blieb und auf „niedrig“ (LR) im umgekehrten Fall. Spezies wurden durch nasschemische Analytik sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Mößbauerspektroskopie und Röntgenstrahlphotoelektronenspektroskopie (XPS) charakterisiert.
Die Reaktion zwischen Eisenhydroxiden und Sulfid erwies sich als sehr kompliziert. Die nasschemische Analytik zeigte verschiedene Reaktionsmuster zwischen HR- und LR-Experimenten. Sulfid wurde innerhalb der ersten 3 h verbraucht und Fe(II)HCl und MES bildeten sich. Nach 24 – 48 h trat in HR-Experimenten eine Abnahme von Fe(II)HCl und MES auf, die von Pyritbildung begleitet wurde. In LR-Experimenten wurde jedoch bis zu 2160 h keine Pyritbildung beobachtet. Ein Teil von Fe(II)HCl konnte nicht als stöchiometrisches FeS (sog. „excess Fe(II)“) wiedergefunden werden (Hellige et al., 2012; Poulton, 2003; Poulton et al., 2004). Die Bildung von „excess Fe(II)“ konkurrierte mit der von FeS/Mackinawit. Die Konzentration von „excess Fe(II)“ zeigte eine positive Korrelation zum anfänglichen Verhältnis von Fe/S und zur mineralogischen Reaktivität von Eisenhydroxiden.
Die XPS-Analyse bestätigte, dass nicht nur elementarer Schwefel, sondern auch Polysulfide die Hauptschwefelprodukte waren. Die Polysulfide, überwiegend Disulfid, die sich an der Oberfläche der Eisenhydroxide bildeten, konnten mit Zinkacetat vorbehandeltem Methanol extrahiert werden. Deshalb beinhaltete MES nicht nur elementaren Schwefel und gelöste Polysulfide, sondern auch Oberflächenpolysulfide. Die Anwesenheit von Polysulfiden und „excess Fe(II)“ an der Oberfläche könnte zur potenziellen Bildung von Eisen-Polysulfiden und einer Übersättigung von Pyrit geführt haben und dadurch die schnelle Pyritbildung in HR-Experimenten veranlasst haben. Die schnelle Pyritbildung wurde als „neuartiger“ Polysulfidpfad vorgeschlagen, weil Fe(II) und Disulfid direkt aus „excess Fe(II)“ und Oberflächenpolysulfiden entstanden. Deshalb wurde die Pyritbildung nicht kinetisch durch die Auflösung von FeS kontrolliert, das als wichtigste Quelle von Fe(II) für die Pyritbildung im normalen Polysulfidpfad betrachtet wird. Letzeres trat in den LR-Experimenten auf. Die elektromagnetischen Eigenschaften von Eisen(II) in FeS/Mackinawit könnten sich aufgrund der Assoziierung von Eisen-Polysulfiden verändert haben und darum zeigte sich ein asymmetrisches Sechs-Linien Mößbauerspektrum. Das Spektrum der gemischten Eisensulfidphasen, die sich in der Reaktion zwischen Fe(III) und S(-II) bildeten, unterschied sich von dem des FeS, das aus einer homogenen Lösung von Eisen(II) und Sulfid ausfiel.Die FeS-Phase war jedoch instabil und wandelte sich langsam in die Mischphase um.

Drei wichtige Entdeckungen dieser Arbeit sind von großer Bedeutung.
1) Das Vorkommen von Oberflächenpolysulfiden wurde bisher noch nicht berichtet und kann eine bisher übersehene Rolle sowohl im abiotischen als auch im biotischen Schwefelkreislauf spielen.
2) Das Fe/S-Verhältnis, das die Kinetik und den Verlauf der Pyritbildung kontrolliert, kann als ein Indikator angewandt werden, um eine schnelle Pyritbildung in vorübergehend anoxischen Umgebungen vorherzusagen.
3) Die Sechs-Linien-Mößbauer-Spektren von Eisensulfidphasen zeigten, dass die elektromagnetischen Eigenschaften von Eisen(II) in FeS/Mackinawit leicht durch Verunreinigungen verändert werden könnten. Deshalb ist, i) eine Mößbauer-Charakterisierung von Mackinawit, der nach einem genauen Syntheseplan hergestellt wurde, und ii) die Untersuchung der Transformation zwischen verschiedenen Eisensulfidphasen erforderlich.

Further data

Item Type: Doctoral thesis
Keywords: Interaction; ferric hydroxides; dissolved sulfide; pyrite formation; pathway; kinetics; polysulfide
Institutions of the University: Faculties
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Chair Hydrology
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Chair Hydrology > Chair Hydrology - Univ.-Prof. Dr. Stefan Peiffer
Graduate Schools
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT)
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science > 550 Earth sciences, geology
Date Deposited: 05 Sep 2015 21:00
Last Modified: 06 Nov 2015 13:57
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/19054