负载铜砷黄钾铁矾溶解转化及对重金属的制约机制

Jarosite is a common mineral in acidic, sulfate-rich environments formed by the oxidation of sulfides, especially pyrite. It excellent reservoirs for toxic heavy metals as it are either sorbed or co-precipitated on the mineral phases. When environmental conditions change, phase transformation of these minerals will occur, causing redistribution or even releasing of bound heavy metals in the mining area. We propose this project to systematically study the geochemical processes that cause the dissolution and transformation of jarosite and reactivation of bound heavy metals in mining sites. We will use integrated methodologies including mineralogical approaches, stable S isotope methods, isotope fractionation to 1) investigate the key geochemical processes involving mineral stability and recrystallization, redistribution of heavy metals in different minerals in the presence, 2) observe the isotope distillation properties and catalytic mechanism of the S2- on the minerals in the process of phrase transformation, 3) elucidate the releasing and redistribution mechanism of loading heavy metals and the dissolution and transformation mechanism of jarosite. Those results could provide theoretical basis into the understanding of heavy metal and mineral behavior and remediation strategies for mining area pollution.

在金属硫化物矿区，黄钾铁矾作为典型的次生铁硫酸盐矿物，在形成和沉淀过程中会结合大量重金属。但随环境条件如pH、Eh改变，这些矿物会发生相转化，所负载的重金属将再次进入水体。本项目拟综合运用矿物地球化学、稳定同位素标记、溶解动力学等手段，重点研究黄钾铁矾溶解转化及重金属迁移机制。在此过程中的重金属形态变化及迁移，S2-的分馏及催化机制、重金属在矿物内部的分布及其黄钾铁矾转化过程中硫同位素的分馏特征等，揭示AMD成因铁硫酸盐次生矿物化学与生物转化机制及其所负载重金属的释放与再分配机制。研究成果将为理解重金属及次生矿物的地球化学行为及矿区修复策略提供理论基础。

经过三年的持续研究，本项目基本上实现了预期的科研目标，并在此基础上，针对发现的新问题，将研究内容进行了有效扩展；因此，在保证项目完成的前提下，也体现了科学研究中发现新问题、解决问题的思路。本项目执行中重点解决的问题包括：次生矿物黄钾铁矾稳定性及其相转化过程中重金属的环境地球化学行为。在本项目的支持下，发表相关SCI论文4篇，中文文章4篇，其中中文核心2篇，会议摘要1篇，授权发明专利2项，并在中国矿物岩石地球化学学会第17届学术年会-矿山污染与修复进行专题汇报。本研究的主要结果为： 1. 黄钾铁矾矿物中重金属的溶出主要是受到酸度、取代离子的性质以及取代位点的结构稳定性的影响。pH变化对次生铁硫酸盐矿物的稳定性和重金属的溶出影响较大：但是随着矿物相转化溶出速率会快速降低，这其中可能重金属被吸附或者共沉淀到新的矿物相，新矿物的生成也会进一步阻止矿物的溶出，如高浓度的Fe3+（1.74 mmol/L）与磁赤铁矿络合吸附在矿物表面从而阻碍了矿物的进一步溶解。另外溶出的重金属可能会被黄钾铁矾吸附或络合阻碍矿物及自身的溶出；不同重金属也影响矿物的溶出，如Cu2+溶出存在滞后性，但是不易于质子化或形成络合物，随着矿物溶解会持续溶出。2.矿区次生矿物不仅影响重金属的迁移转化、还影响矿区硫素的分布。本研究结果不仅有助于正确评估重金属在矿区的生态环境风险，保障人体健康和生态环境安全，还可以全面明确矿区重金属的环境地球化学行为并对其污染治理提供科学依据。