地下水中共存离子与砷在矿物-水界面作用机理研究

Insights from molecular-level mechanisms of arsenic and co-existing ions can further our understanding of arsenic removal in groundwater. Groundwater As adsorption on metal oxides can be suppressed or enhanced in the presence of coexisting ions. Although much is known about the interference of single ions to arsenate adsorption, little is understood about their compound impacts on arsenite adsorption and transport during field column studies. In particular, uncertainties about molecular surface complexes in the presence of coexisting ions during filtration may contribute to the failure of predicting arsenic adsorption capacities using surface complexation models. The motivation for our study is to explore the interfacial interactions of groundwater arsenic and co-existing ions on crystalline TiO2 using multiple complementary techniques including column filtration experiments, ATR-FTIR, EXAFS, XRD, SEM-EDS, and PHREEQC modeling. The insights gained from this study should improve our knowledge in predicting the fate of groundwater arsenic.

研究砷在矿物-水界面的微观吸附机理与赋存形态，对地下水砷的过滤去除具有非常重要的意义。地下水中复杂的共存离子严重影响砷在固-液界面上的吸附机理，现阶段亟需有关多种离子共存时对砷，特别是三价砷在矿物-水界面上分子水平的吸附过程与吸附机理影响的研究。本项目拟采用宏观过滤吸附实验、ATR-FTIR、EXAFS、XRD、SEM-EDS以及表面络合模型与传输模型等多种技术手段，从分子尺度对多种离子共存条件下离子与砷在矿物-水界面形成的表面络合物或表面沉淀的过程及机理进行系统研究。本项目的研究重点在于弄清共存离子与砷在固-液界面的赋存形态以及形成表面络合物或表面沉淀的条件、微观结构和化学组成，揭示多种离子共同影响下的砷在固-液界面的吸附机理。本项目的成功实施可为地下水砷的过滤去除提供理论依据与实际指导。

本项目针对有毒环境污染物As(III)和As(V)的微观界面行为及共存离子对不同价态砷吸附行为与机理的影响展开研究，通过应用新原理、新材料和新技术，发展了环境友好、可再生利用的环境纳米材料与应用工艺，研究了不同价态的有毒污染物砷在多介质环境界面的吸附机理与消减技术。. 项目综合多种现代谱学技术，尤其是同步辐射光谱，结合原位在线红外光谱及表面增强拉曼，建立了纳米尺度原位表征污染物分布特征及动态转化过程的研究方法体系。以此方法体系为基础，利用批试验得的到吸附常数，结合共存离子单一及复合存在影响机制，准确预测了地下水中砷在颗粒TiO2上的吸附容量与穿透曲线。地下水过滤试验结果表明，在出水浓度小于10 µg/L 时，在颗粒TiO2上吸附量为1.53 mg As/g TiO2；TiO2再生后对应的砷吸附量为1.36 mg As/g TiO2。通过对地下水过滤前后主要离子浓度的测定，结果表明，PO4由于结构性质与As(V)相似，主要以竞争吸附位点的方式影响As的去除。地下水中Si、Ca和HCO3会影响砷的吸附。EXAFS结果证明Si不会影响As在TiO2上的吸附构型，但会与As竞争吸附位点。Ca能够与As形成Ca-As-TiO2三元表面络合结构从而增加As的吸附。考虑所有离子对砷吸附的复合作用，PHREEQC程序能够利用批试验中所得砷的吸附常数成功拟合地下水中As、Si、Ca和HCO3的穿透曲线。研究结果为TiO2吸附材料在砷污染地区的应用提供了理论基础与实际处理范例。