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  • Environmental Soil Chemistry Second Edition
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  • Environmental Soil Chemistry Second Edition Donald L. Sparks University of Delaware Amsterdam Boston London New York Oxford Paris San Diego San Francisco Singapore Sydney Tokyo
  • Senior Publishing Editor Charles R. Crumly, Ph.D Senior Project Manager Julio Esperas Editorial Assistant Christine Vogelei Marketing Manager Anne OMara Cover Design Gary Ragaglia Copyeditor Charles Lauder, Jr. Production Services Lorretta Palagi Composition RDC Tech Printer China Translation & Printing Services, Ltd. This book is printed on acid-free paper. Copyright 2003, Elsevier Science (USA). All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopy, recording, or any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher. 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, Florida 32887-6777. Academic Press An imprint of Elsevier Science 525 B Street, Suite 1900, San Diego, California 92101-4495, USA http://www.academicpress.com Academic Press 84 Theobalds Road, London, WC1X 8RR, UK http://www.academicpress.com Library of Congress Control Number: 2002104258 International Standard Book Number: 0-12-656446-9 PRINTED IN THE UNITED STATES OF AMERICA 02 03 04 05 06 07 CTP 9 8 7 6 5 4 3 2 1
  • For Joy and my doctoral advisors, David C. Martens and Lucian W. Zelazny
  • This Page Intentionally Left Blank
  • Table of Contents Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Environmental Soil Chemistry: An Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Evolution of Soil Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 The Modern Environmental Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Contaminants in Water and Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Acid Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Trace Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Hazardous Wastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Case Study of Pollution of Soils and Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Soil Decontamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 In Situ Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Non-in-Situ Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Molecular Environmental Soil Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Electromagnetic Spectrum of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 X-Ray Absorption Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Other Molecular-Scale Spectroscopic and Microscopic Techniques . . . . . . . . . . 37 Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Inorganic Soil Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Paulings Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Primary Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Secondary Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Phyllosilicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Oxides, Hydroxides, and Oxyhydroxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Carbonate and Sulfate Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Specific Surface of Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 External Surface Area Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Total Surface Area Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Surface Charge of Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Types of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Cation Exchange Capacities of Secondary Soil Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 CHAPTER 1 CHAPTER 2
  • Identification of Minerals by X-Ray Diffraction Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Clay Separation and X-Ray Diffraction Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Use of Clay Minerals to Retain Organic Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Chemistry of Soil Organic Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Effect of Soil Formation Factors on SOM Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Carbon Cycling and Sequestration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Composition of SOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Fractionation of SOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Molecular and Macromolecular Structure of SOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Functional Groups and Charge Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Humic SubstanceMetal Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Factors Affecting MetalComplexant (Ligand) Interactions . . . . . . . . . . . . . . 102 Determination of Stability Constants of MetalHS Complexes . . . . . . . . . . . 106 Effect of HSMetal Complexation on Metal Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Effect of HSAl3+ Complexes on Plant Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Effect of HS on Mineral Dissolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 SOMClay Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Mechanisms of Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Retention of Pesticides and Other Organic Substances by Humic Substances . . . 111 Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Soil SolutionSolid Phase Equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Measurement of the Soil Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Speciation of the Soil Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Ion Activity and Activity Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Dissolution and Solubility Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Stability Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Sorption Phenomena on Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Introduction and Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Surface Functional Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Surface Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Adsorption Isotherms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Equilibrium-based Adsorption Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Freundlich Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Langmuir Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Double-Layer Theory and Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 viii Contents CHAPTER 3 CHAPTER 4 CHAPTER 5

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