酸性矿山废水中无定形次生含砷矿物的赋存分子形态及稳定性研究

Arsenic pollution of soils and waters is an important environmental concern. Poorly crystalline secondary As-bearing minerals (PCSAM) are important occurrence of arsenic and strongly influence its mobility in acid mine drainage (AMD) due to their poor crystallinity, high surface area and reactivity. However, the molecular structure, stability, and transformation process and products of poorly crystalline As-bearing secondary minerals are still no well known at present in AMD. In this study, based on the major elemental constitutions and environmental parameters obtained from field survey and documents, we will investigate the formation of PCSAMs at different pH. At the same time, we will investigate their solubility, elemental compositions, morphologies, and surface areas to obtain their thermodynamic constants and physio-chemical parameters. We will probe their molecular structures by jointly using synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy, density functional theory calculations, and full multiple scattering calculations. In addition, we will discover the dominant factors and mechanisms controlling the stability of PCSAMs in the presence of various co-existing ions and their transformation processes and products based on the solid-liquid distribution, aqueous species, and solid occurrences of As and related elements. The findings will be of significance for understanding the geochemical cycle of arsenic in AMD and for developing the economic and effective pollution controlling method.

水土砷污染是重要的环境问题。无定形次生含砷矿物是酸性矿山废水（AMD）中砷的重要赋存形态，由于其具有高比表面积、高活性等特征，对砷的固液交换、形态转化有重要影响。然而目前对AMD中无定形次生含砷矿物的赋存分子形态、稳定性及形态转化过程与产物的认识还十分缺乏。本研究拟通过实地调研和文献查阅获得AMD中的主要元素组成和水质参数，从简单体系到复杂体系在不同pH条件下沉淀无定形次生含砷矿物，通过研究产物的溶解度、元素组成、表面形貌、比表面积等获得热力学参数和物理化学性质；利用同步辐射X射线吸收谱、密度泛函、全势多重散射等技术表征其赋存分子形态；通过考察不同pH、共存离子存在条件下和矿物转化过程中砷及相关元素的固液分配、络合形态、固相赋存形态等揭示影响其稳定性的主控因子和控制机理。研究成果对于深入理解AMD中砷的地球化学循环演化规律及建立经济有效的砷污染控制技术具有重要意义。

酸性氧化环境是砷活化释放的重要场所。酸性矿山废水中无定形次生含砷矿物的形态非常复杂，是控制砷行为和稳定性的关键因素，目前对其形成条件、赋存分子形态、稳定性、转化过程与产物仍缺乏清晰的认识，有必要开展系统深入的研究。本研究拟根据实际酸性矿山废水中的主要元素组成和水质参数，利用同步辐射X射线吸收谱、密度泛函、全势多重散射等先进技术对无定形次生含砷矿物的赋存分子形态进行研究。同时考察不同pH、共存离子和矿物转化过程对无定形含砷矿物稳定性的影响，并揭示影响其稳定性的主控因子和机理。研究成果对于深入理解酸性矿山废水中砷的地球化学循环演化规律及建立经济有效的砷污染控制技术具有重要意义。.本项目将通过野外调研与室内实验相结合的方法，针对酸性矿山废水环境中无定形次生含砷矿物的赋存分子形态、溶出特性以及共存离子和矿物形态转化对其稳定性的影响与机理进行研究，主要包括无定形次生含砷矿物的赋存分子形态，无定形次生含砷矿物的稳定性及其控制因素，并寻求建立处理含砷废水、废液的处理方法。.通过系统研究，项目取得了丰富的成果，包括①首次认清了铁氧化物吸附态As(V)的局部分子结构，并发现了一种新的含As(III)矿物；②认清了不同条件下铁砷共沉淀中砷形态的转化过程与长期稳定性变化；③发现了在弱还原环境中水铁矿的结晶转化会增强吸附态砷的稳定性；④揭示了强还原环境中硫代砷在铁氧化物矿物表面的吸附行为和形态；⑤阐明了酸性矿山废水中Fe(II)快速氧化过程对As(III)的氧化与稳定性影响；⑥揭示了酸性环境中Fe-As-S体系中砷矿物相及稳定性变化机制；⑦揭示了水铁矿老化对砷吸附能力变化的机理；⑧揭示了弱还原条件下水铁矿吸附态锑的形态转化与行为；⑨建立了利用菱铁矿作为铁源处理酸性含砷废水新方法；建立了Fe(II)协同氧化固定AMD中砷的处理新技术。研究发表SCI论文28篇，申请授权专利2项。成果对于理解AMD中砷的环境行为、评估其环境风险并进行污染控制有重要意义。