天然有机质－铁矿物动态相互作用对典型重金属环境行为的影响

Understanding and predicting the reactions between heavy metals and natural organic matter (NOM)/iron minerals is a key research area, which helps to control the heavy metal pollution in the environment. The dynamic interactions between NOM and iron minerals is a key environmental process, which has become a hot research area, but how it affects the environmental behavior of heavy metals is still not clear. This project integrates the urgent needs of heavy metal pollution control in China and the emerging research areas in studying the dynamic interactions between NOM and iron minerals. Based on the applicant’s studies from the past several years, this project will target to elucidate the environmental behavior of heavy metals in NOM-iron mineral systems. By using three typical heavy metals (Cd, Cu, and Pb), this project will, at both mechanistic and quantitative levels, investigate the dynamic reactions occurred during the NOM, iron mineral, and heavy metal co-precipitation process and the kinetics of heavy metal release from the co-precipitates. A suite of complimentary chemical, electron microscopic, spectroscopic, and mass spectrometry methods will be employed to gain a fundamental understanding on the key reactions/processes. A general predictive model will be developed for the kinetics of multiple heavy metals. The results from this project will advance our understanding on the environmental behavior of heavy metals at various time scales, provide theoretic basis and predictive tools for the remediation of heavy metal contaminated soil, sediment, and water, and help to guide the environmental remediation and risk assessment.

准确理解和预测重金属同天然有机质和铁矿物之间的反应规律，对推动重金属污染控制工作极为关键。天然有机质和铁矿物动态相互作用是近年来科研界关注的关键环境过程，但其对重金属环境行为的影响的研究仍然缺乏。本项目结合我国在重金属污染控制方面的重大需求以及国际科研界在天然有机质和铁矿物动态相互作用研究的前沿领域，拟在申请者多年相关研究基础上，以揭示天然有机质－铁矿物动态体系中重金属环境行为为目标，在机理和定量层次上研究典型重金属（Cd、Cu、和Pb）同天然有机质和铁矿物共沉淀过程中的动态反应、以及重金属从共沉淀产物的释放动力学。研究将利用环境化学试验手段、电子显微镜、光谱及质谱技术对关键反应过程获得机理性的理解，为多种重金属建立综合的机理性动力学预测模型平台。其成果将提高对重金属在不同时间尺度下的环境行为的理解，为重金属污染土壤、底泥及水体修复提供理论基础和预测工具，指导环境修复和环境风险评价工作。

本项目结合了我国在重金属污染控制方面的重大需求以及国际科研界在天然有机质和铁矿物动态相互作用研究的前沿领域，主要研究了重金属－NOM－铁矿物共沉淀转化过程中的动态反应以及重金属和有机质的稳定性和释放动力学。项目采用了纯体系（如有机质或者铁矿物）和复合体系（如重金属－NOM－铁矿物）相结合的思路，利用一系列相互补充的化学试验手段、电子显微镜、光谱及质谱技术对关键反应过程在微观尺度获得了机理性的理解。通过实验室实验和理论模型研究，揭示了NOM化学特性对重金属－NOM－铁矿物共沉淀动力学过程的影响；揭示了不同NOM和不同重金属形成的重金属－NOM－铁矿物共沉淀复合产物及其转化过程对重金属固存及释放动力学的影响，探明了铁矿物转化过程中影响重金属环境行为的主要反应过程以及关键环境因素。同时，基于对铁矿物转化过程中关键反应过程的机理性理解，对影响重金属和有机质环境行为的一系列动态耦合反应过程进行定量描述，建立了机理性动力学预测模型平台。此外，并将建立的模型应用到了实际土壤体系。本项目主要研究成果包括（1）有机质化学官能团和铁矿物点位对典型重金属动力学行为的影响机制和定量模型；（2）有机质-铁矿物-重金属共沉淀产物转化过程中重金属的固存机理及有机质的影响机制；（3）有机质和矿物相互作用对重金属反应特性的影响机制和模型；（4）土壤组分及其络合点位对重金属平衡分布和动力学行为影响和预测模型。本项目成果提高了对有机质和铁矿物动态相互作用下重金属环境行为的理解，为重金属污染土壤、底泥及水体修复提供理论基础和预测工具，对指导环境修复和环境风险评价工作具有重要意义。