Composition and structural aspects of naturally occurring ferrihydrite

A series of naturally occurring ferrihydrites sampled from an acid mine drainage environment were characterized and compared with synthetic 2-line ferrihydrite using high energy X-ray total scattering and pair distribution function analysis, Scanning Transmission X-ray Microscopy (STXM), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET N2 surface area measurements, and chemical extractions in order to place constraints on their structural and physical properties as a function of composition. Overall, the short- and intermediate-range ordering of the natural samples is comparable to synthetic ferrihydrite. However, with increasing Al, Si, and organic matter contents, a decrease in particle size and an increase in structural disorder were observed. Silica is suspected to have a pronounced effect on the crystallinity of ferrihydrite as a result of its inhibitory effect on Fe polymerization and particle growth, and it is likely complexed at the surfaces of ferrihydrite nanoparticles. Aluminum, on the other hand may substitute for Fe3+ in natural ferrihydrite. Organic matter is pervasive and intimately associated with ferrihydrite aggregates, and its presence during ferrihydrite precipitation may have contributed to additional structural disorder. The increase in impurity content affects not only the particle size and structural order of ferrihydrite but may also have a significant effect on its surface reactivity.

RésuméUne série de ferrihydrites naturelles provenant d’un site de drainage minier acide a été caractérisée et comparée à une ferrihydrite synthétique « 2-line » par diffraction des rayons-X (DRX), microscopie à balayage par transmission de rayons-X (STXM), microscopie électronique à transmission (MET), analyses BET N2 et extractions chimiques, pour étudier l’impact de la composition chimique sur les propriétés physiques et structurales de ce minéral. Globalement, la structure des ferrihydrites naturelles est similaire à celle de la ferrihydrite synthétique. Cependant, une augmentation des teneurs en Al, Si, et matière organique associées avec la ferrihydrite, entraîne une baisse de la taille des particules et une augmentation du désordre structural. Ces changements ont été attribués principalement à la présence du silicium, qui affecte de manière significative la polymérization du fer en solution, la cristallinité et la croissance des particules. Le silicium serait plutôt complexé à la surface des nanoparticules de ferrihydrite, tandis que l’aluminium pourrait être incorporé dans la structure même des ferrihydrites. Une forte association entre la matière organique et la ferrihydrite a été observée et on soupçonne que sa présence, lors de la précipitation de ferrihydrite, a aussi affecté le désordre structural de ces matériaux. La présence de ces impuretés pourrait également fortement modifier la réactivité de surface des ferrihydrites naturelles.