【土壌試料を用いたバッチ型反応器による溶解実験】

『Abstract
　Far-from-equilibrium batch dissolution experiments were carried out on the 2000-500, 500-250, 250-53 and 53-2 μm size fractions of the mineral component of the B horizon of a granitic iron humus podzol after removal of organic matter and secondary precipitates. The different size fractions were mineralogically and chemically similar, the main minerals present being quartz, alkali and plagioclase feldspar, biotite and chlorite. Specific surface area increased with decreasing grain size. The measured element release rates decreased in the order 53-2 >>> 2000-500 > 500-250 > 250-53μm. Surface are normalized element release rates from the 2000-500, 500-250 and 250-53 μm size fractions (0.6-77×10^-14 mol/m²/s) were intermediate between literature reported surface area normalised dissolution rates for monomineralic powders of feldspar (0.1-0.01×10^-14 mol/m²/s) and sheet silicates (100×10^-14 mol/m²/s) dissolving under similar conditions. Element release rates from the 53-2 μm fraction (400-3000×10^-14 mol/m²/s) were a factor of 4-30 larger than literature reported values for sheet silicates. The large element release rate of the 53-2μm fraction means that, despite the small mass fraction of 53-2 μm sized particles present in the soil, dissolution of this fraction is the most important for element release into the soil. A theoretical model predicted similar (within a factor of < 2) bulk elemennt release rates for all the mineral powders if observed thicknesses of sheet silicate grains were used as input parameters. Decreasing element release rates with decreasing grain size were only predicted if the thickness of sheet silicates in the powders was held constant. A nsignificantly larger release rate for the 53-2 μm fraction relative to the other size fractions was only predicted if either surface roughness was set several orders of magnitude higher for sheet silicates and several orders of magnitude lower for quartz and feldspars in the 53-2μm fraction vompared to the other size fractions or if the sheet silicate thickness input in the 53-2 μm fraction was set unrealistically low. It is therefore hypothesisted that the reason for the unpredicted large release rate from the 52-3 μm size fraction is due to one or more of the following reasons: (1) the greater reactivity of the smaller particles due to surface free energy effects, (2) the lack of proportionality between the BET surface area used to normalise the release rates and the actual reactive surface area of the grains and, (3) the presence of traces quantities of reactive minerals which were undetected in the 53-2 μm fraction but were entirely absent in the coarser fractions.

Keywords: Mineral dissolution rates; Grain size; Reactive surface area』

『要旨
　平衡から離れたバッチ溶解実験が、有機物と二次沈殿物を除いた後の、花崗岩質鉄腐植ポドゾルのB層の鉱物成分の2000〜500、500〜250、250〜53、および53〜2μmサイズ画分に対して行われた。異なるサイズ画分は、鉱物学的および化学的に似ており、主な鉱物は石英、アルカリ長石、斜長石、黒雲母、および緑泥石である。比表面積は粒径が減少するにつれて増加する。測定された元素放出速度は、53-2 >>> 2000-500 > 500-250 > 250-53μmの順で減少した。 2000-500、500-250、および250-53 μm サイズ画分からの、表面積でノーマライズした元素表出速度（0.6〜77×10^-14 mol/m²/秒）は、類似の条件下で溶解する長石の単鉱物粉末（0.1〜0.01×10^-14 mol/m²/秒）および層状珪酸塩（100×10^-14 mol/m²/秒）に対する文献で報告された表面積ノーマライズ溶解速度の中間の値であった。53〜2μm画分からの元素放出速度（400〜3000×10^-14 mol/m²/秒）は、層状珪酸塩に対する文献報告値よりも4〜30倍大きい。土壌中に存在する53〜2μmサイズの粒子の質量割合が小さいにもかかわらず、53〜2μm画分の元素放出速度が大きいことは、この画分の溶解が土壌中に元素を放出するために最も重要であることを意味している。理論モデルからは、もし層状珪酸塩粒子の観察された厚さが入力パラメータとして使われたならば、すべての鉱物粉末に対して類似した（< 2倍以内）バルク元素放出速度が予想された。粒径の減少とともに減少する元素放出速度は、もし粉末中の層状珪酸塩の厚さが一定に保たれていたならば、その時にのみ予想された。他のサイズ画分に比べて53〜2μm画分に対してかなり大きな放出速度が、もし他のサイズ画分に比べて53〜2μm画分において、表面粗さが層状珪酸塩に対して数桁大きく、そして石英と長石に対して数桁低く設定されたならば、あるいはもし53〜2μm画分での層状珪酸塩の厚さ入力が非現実的に低かったならば、その時にのみ予想された。したがって、52〜3μmサイズ画分からの予想されなかった大きな放出速度の理由は、次の理由の一つ以上によると仮定される：（１）表面自由エネルギー効果により、小さい粒子ほど大きな反応性を持つこと、（２）放出速度をノーマライズするのに用いられたBET表面積と、粒子の実際の反応性表面積間に比例関係がないこと、そして（３）53〜2μm画分に検出されないがもっと粗い画分にはまったく存在しない微量の反応性鉱物が存在すること。』

1. Introduction
2. Materials and methods
　2.1. Soil preparation and characterisation
　2.2. Dissolution experiments
　2.3. Solution analysis
　2.4. Element release rate calculations
3. Results
　3.1. PHREEQ analysis of experimental solutions
　3.2. Changes in solution composition
　3.3. Element release rates
4. Discussion
　4.1. Ca data
　4.2. Determining which minerals were dissolving
　4.3. Are the element release rates similar to those determined in laboratory experiments carried out on monomineralic powders?
　4.4. Are similar element release rates expected for the different size fractions?
　4.5. Comparing the predicted and actual bulk dissolution rate trends
5. Conclusions
Acknowledgements
Appendix A
Appendix B
References