方解石-羟基磷灰石转化过程中有毒有害元素的迁移及归趋

Calcite, the most important carbonate mineral, is in huge amount and widely distributed in the Earth’s Crust. Due to the high flexibility of calcite lattice, a lot of toxic and hazardous elements, such as U, Pb, Cr, As, et al., can be incorporated into calcite via isomorphous substitution. Thus, immobilization of toxic and hazardous elements via co-precipitation with calcite is more and more attractive in both scientific studies and environment remediation. However, because calcite is reactive, the toxic elements in calcite might be re-mobilized during the dissolution of calcite. On the other hand, apatite is much more insoluble than calcite, and experiments and field investigations have demonstrated that calcite can transform to hydroxyapatite in phosphate-bearing media. It is desirable that the toxic elements released from the dissolved calcite would be re-immobilized by hydroxyapatite during the phase transformation. However, the relevant investigation has rarely been reported. The current proposal is to (1)compare the incorporation capacity of selected toxic elements between calcite and hydrxyapatite,(2) reveal the fate of the toxic elements when calcite transforms to hydroxyapatite. The potential results will enhance our understanding on the behavior of toxic and hazardous elements in environment. Furthermore, it will provide useful information for the remediation of contaminated sites.

方解石在地壳中广泛分布，数量巨大，是最重要的碳酸盐矿物。方解石具有强大的杂质元素包容能力，可通过类质同象置换的方式固定大量有毒有害元素，如放射性元素铀及重金属元素铅、铬、砷等。因此，在自然条件下或通过人工诱导使有毒有害元素与方解石共沉淀，对污染环境修复具有重要作用，相关的研究和实践越来越受到关注。然而，方解石的化学活性较强，有可能在环境条件改变时发生溶解，并导致其中的有毒有害元素重新释放而造成二次污染。另一方面，磷灰石的溶度积很低，实验及野外调查证实，方解石在含磷条件下将转化为更稳定的羟基磷灰石，从方解石中释放出来的有毒有害元素也可能转移到羟基磷灰石中而被重新固定，但鲜有相关的研究报道。本项目拟通过实验合成和天然样品研究，对比羟基磷灰石与方解石对典型有毒有害元素的包容能力，查明其在方解石向羟基磷灰石转变过程中的归趋，其研究结果具有重要的科学价值和现实意义。

碳酸盐矿物是地球上分布最广的矿物之一，其中最常见的是方解石。在土壤、沉积物等环境中，方解石的沉淀可固定大量的重金属，使其成为重金属重要的汇。但是，在表生环境下，方解石的溶解也非常活跃，因此，方解石也是重金属重要的源头。方解石在含磷介质中可与磷反应转变为一系列磷酸钙盐，并最终转化为稳定的磷灰石。为了查明方解石向羟基磷灰石转化过程中微量有毒有害元素的迁移行为，本项目主要研究了含重金属方解石的在磷溶液的转化过程及重金属的归趋，并与不含重金属方解石的转化过程进行了对比研究。主要结论如下：(1) 在纯方解石转化为磷灰石过程中，溶液中的镉和部分砷可以被固定到次生磷灰石结构中。(2) 含重金属(Cd、Cr、As)方解石在转化为磷灰石过程中，会释放极少量重金属到溶液中，但大部分重金属被固定到次生的磷灰石或中间产物(如透钙磷石和磷酸八钙)中。(3) 含镉方解石转化为透钙磷石初期可释放较多镉至溶液中，但随着反应的进行，释放的镉又进一步被固定到固相中。(4) 含砷方解石依次转化为透钙磷石、磷酸八钙和磷灰石过程中，每一阶段均会释放砷，但在转变为透钙磷石阶段释放的砷含量最多。(5) 重金属的释放量与温度呈负相关关系，温度越低，方解石转化速率越慢，重金属越容易释放到溶液中。本研究结果说明，方解石-磷灰石转化过程有利于重金属的稳定，并减轻重金属潜在的毒害作用。该项目成果可加深对自然过程特别是重金属在环境中的迁移过程及矿物转化与重金属的相互关系的认识，并为土壤重金属污染治理提供理论支撑。