介质非均质性对硫代(亚)砷分布与迁移的影响研究

Groundwater arsenic pollution is a worldwide environmental problem. Heterogeneity in sediment properties controlling fluid flow, solute transport, and geochemical reactivity is a common phenomenon in subsurface environments. Based on the recent findings that “thioarsenite and thioarsenate (ThAs) are important arsenic species in high arsenic groundwater” and “the spatial distribution of high arsenic concentration spots in groundwater is significantly heterogeneous”, this study is proposed to use coupled IC and ICP-MS method to investigate the distribution of ThAs in high arsenic groundwater areas of Jianghan Basin. Batch and column experiments will be carried out to analyze the effects of physical and chemical heterogeneity on the distribution and migration of ThAs in sediments. The objective of this study is to identify key geochemical factors controlling ThAs speciation, distribution and migration. This study will help to improve knowledge of arsenic migration and As-S interaction in reducing environment.

地下水砷污染是世界性的环境问题，介质非均质性控制地下水中污染物传输是一个普遍的现象。本项目基于“硫代（亚）砷是高砷地下水中最新识别出的重要砷形态”和“高砷地下水分布呈显著的空间差异性”的认识，率先在国内建立硫代（亚）砷的测试分析技术，以江汉平原典型的地下水砷污染区为研究区，查明硫代（亚）砷的形态分布特征，识别沉积物非均质性对硫代（亚）砷吸附解吸和迁移行为的影响，揭示非均质介质与硫代（亚）砷的相互作用机理，将弥补“我国高砷地下水研究中忽略了硫代（亚）砷形态”的不足，为还原环境中砷的来源、迁移过程以及As-S作用机理提供基础性的理解，为高砷地下水的治理和修复提供重要的理论依据和技术支撑。

硫代砷是高砷地下水中最新识别出的一种重要的砷形态，其检测技术和环境行为的研究受到越来越多的关注。本项目以江汉平原高砷地下水为研究对象，在建立硫代砷化合物合成和LC-HG-AFS测试技术的基础上，研究高砷地下水中硫代砷形态分布特征及其与非均质介质的作用机理。本项目取得的重要结果和关键数据包括：（1）江汉平原高砷地下水样以As(III)为主时，亚砷酸盐是最主要的砷形态，占总砷含量的46.77%~92.45%，其次是硫代砷酸盐，占总砷含量的7.48%~53.20%；地下水样以As(V)为主时，硫代砷酸盐是最主要的砷形态，平均占总砷含量的66.37%，其次是亚砷酸盐，占总砷含量的24.95%~43.34%；地下水中主要的硫代砷酸盐是三硫代和一硫代砷酸盐；（2）在实验室合成了纯度为98%（±4%，n=4）的一硫代砷酸钠化合物（Na3AsO3S•7H2O），并率先在国际上建立了LC-HG-AFS同时在线分析亚砷酸盐、砷酸盐和一硫代砷酸盐（MTA）的方法，MTA上机测试浓度范围为18~360 μg/L，方法检出限为33μg/L，方法误差最小为-0.11%；（3）MTA在砂石、沉积物和铁矿（针铁矿）上的吸附均在24h左右达到平衡。然而，亚砷酸盐和MTA共存条件下，MTA在介质上吸附24h达到平衡后，MTA和亚砷酸盐会被氧化形成砷酸盐，导致原有的吸附平衡被打破，MTA的吸附量进一步增加；（4）MTA在沉积物和砂石上单层吸附下的吸附容量分别为20.07和295.78 μg/g。当固液比（m/v）在10~60 g/L范围时，MTA在砂石和沉积物上的平衡吸附量（Qe）呈线性降低；m/v≥60 时，Qe缓慢降低。当pH在7~10范围内时，Qe值较低，暗示着天然环境下高砷地下水中MTA含量处于较高的浓度水平。本研究成果将弥补“我国高砷地下水研究中忽略了硫代砷形态”的不足，为地下水环境中砷的来源、迁移过程以及As-S作用机理提供基础性的理解，为高砷地下水的治理和修复提供重要的理论依据和技术支撑。