二价金属阳离子与砷在矿物-水界面作用机理研究

Recent years, arsenic contamination in water and soil has become a problem concerning environmental quality and public health in our country. Arsenic and metal cations are a common co-occurrence in many contaminated soil and water environment, which interacts with each other at mineral-water interface and affect the release, mobility and fate of arsenic in environment. Previous researches usually concentrated on arsenic redistribution at solid-water interface in presence of metal cations, but the interaction mechanisms of arsenic and metal cations at solid-water interface have not been systematically investigated.This project will focus on the formation mechanism of the surface complex and surface precipitate of arsenic and typical bivalent metal cations during co-precipitation and co-adsorption process. This project will also clarify the bonding structure and existing configuration of the surface complex, chemical composition and formation conditions of surface precipitate, which will reveal the interaction mechanisms of arsenic and bivalent metal cations at molecular level, and explain the change of micro-environment of arsenic and bivalent metal cations in solid. The success of this project will help us further understanding the environmental geochemistry cycle of arsenic, predicting the arsenic and metal co-contaminated sites, and establishing a series of remediation methods.

近年来，我国的水土砷污染日益严重，成为关乎环境质量和人民健康的重要环境问题之一。在砷污染水土环境中，金属阳离子经常与砷共存，二者在矿物-水界面会发生一系列的相互作用，从而影响砷在环境中的行为和归趋。以往的研究多注重于金属阳离子对砷在固-液两相再分配的影响，而对金属阳离子与砷在固-液界面的相互作用机理缺少系统的研究和清楚的阐述。针对共沉淀和吸附过程，本项目拟利用FTIR，XAS，XRD等技术手段，从分子尺度对典型二价金属阳离子与砷在矿物-水界面形成表面复合物或表面沉淀的过程进行系统研究，弄清二价金属阳离子与砷的赋存形态，以及形成表面复合物和表面沉淀的条件、键合结构和化学组成，揭示二价金属阳离子与砷的固-液界面作用机理。本项目的成功实施可为金属-砷共污染地区的治理提供理论依据，有助于更加深入地理解砷的环境地球化学循环规律。

随着人们环保意识的不断提升，水土砷污染越来越受到社会的广泛重视。在有色金属矿物开采和冶炼过程中，大量的砷和金属离子随着废液和废渣的排放进入到周围水土环境中，它们在矿物-水界面发生的相互作用，影响砷在环境中的行为和归趋。针对这样的问题，本项目通过衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）的原位分析，从分子尺度对金属镍离子（Ni(II)）与五价砷（As(V)）在铁矿物-水界面的相互作用进行系统研究。. 首先，我们研究了不同介质条件下Ni(II)与As(V)在矿物表面的赋存形态和形成表面复合物的化学组成、以及键合结构，弄清了Ni(II)与As(V)相互作用机理。As(V)单独存在于矿物-水界面时，以双齿-双核表面复合物形式吸附在铁矿物表面。Ni(II)的存在使Fe-As形成的表面复合物键合结构发生改变，固体表面形成Fe-As-Ni三元表面复合物。pH值是影响表面复合物键合结构最重要的因素。而后我们又研究了Ni(II)与As(V)在矿物-水界面形成多层表面复合物的键合结构和形成过程，初步阐明了Fe-As-Ni多层三元表面复合物的形成机理。最后，研究了在矿物-水界面Ni(II)与As(V)形成结晶态表面沉淀的条件、演化过程及键合结构，揭示了表面沉淀由无定型向结晶态演化的过程机理，建立了表面沉淀形成机理模型。在pH 4条件下，Fe-As-Ni三元表面复合物覆盖度较低，老化40天，表面沉淀的键合结构未发生明显变化。pH 7条件下，Ni(II)与悬空氧原子配位增多，固体表面以Fe-As-Ni三元表面复合物为主。随着老化时间的增加，通过多层交替配位形成的无定型表面沉淀结构不断优化重排，演化成结晶态Ni3(AsO4)2•8H2O表面沉淀。. 综上所述，本项目从分子尺度研究了不同条件下，Ni(II)与As(V)在固-液界面的赋存形态，多层表面复合物的键合结构和形成过程，结晶态表面沉淀的形成条件和演化机理，阐明了Ni(II)与As(V) 所处的化学微环境，揭示了他们在固-液界面间的相互作用机理。本项目的研究成果有助于进一步阐明砷的环境地球化学过程，为金属-砷共污染区域的治理和修复提供有力的理论指导。