铁矿物存在下Mn(II)的非生物自氧化对As(III)氧化和迁移的研究

研究As(III) 在水环境中的转化和迁移是近年来环境领域中的热点问题之一。在铁矿物存在下，Mn(II)可以通过非生物自氧化生成锰的（羟基）氧化物从而加快As(III)的氧化过程，而目前尚未见有研究对此过程进行报道。本项目拟借助动力学实验和TEM、XRD、XANES、EXAFS等表征分析的研究方法，从原子水平阐明Mn(II)在铁矿物表面的非生物自氧化行为对溶液中As(III)的氧化和迁移机制以及对吸附在铁矿物表面As(III)的氧化和迁移机制的影响，并建立数学模型验证两种机制。此外，通过修正已建立的数学模型预测出真实水环境中Mn(II)非生物自氧化对吸附在铁矿物表面As(III)的氧化和迁移的影响。该项目的科学意义在于可以确定有氧自然环境中Mn(II)的非生物自氧化过程对As(III)氧化和迁移的影响，为有效控制有氧水环境中的As(III)和其它还原性污染物提供可靠的理论依据与基础数据。

研究As(III) 在水环境中的转化和迁移是近年来环境领域中的热点问题之一。自然环境中的砷主要结合在铁矿物表面，而可溶性Mn(II)会在矿物表面的非生物自氧化过程会催化水溶液中或吸附态As(III)的氧化过程。在此过程中，如果矿物对生成的As(V)和As(III)有不同的吸附能力，Mn(II)的自氧化将改变As(III)和As(V)在水－矿物体系中的分配，从而改变其迁移规律。为此，我们借助动力学实验和TEM、XRD、XPS 等表征分析的研究方法，对Mn(II)在铁矿物表面的非生物自氧化行为对溶液中As(III)的氧化和迁移机制以及对吸附在铁矿物表面As(III)的氧化和迁移机制的影响进行了阐述。我们发现，pH 7.0-9.0范围内，Mn(II)在Hematite与Magnetite通过非生物自氧化生成非晶形的MnOx，MnOx可将溶液中或吸附在铁矿物的As(III)氧化为As(V)同时改变它们的迁移性。在同时氧化体系中, α-Fe2O3能产生更多的水溶性As(V), 但As(III)具有更强的迁移性, 然而Fe3O4对总砷具有更强的固定化作用;而在预先吸附As(III) 的氧化体系中, Mn(II)的存在对吸附在α-Fe2O3上的As(III)和As(V)都具有一定的迁移作用。由此，我们进一步推断出Mn(II)的非生物自氧化对As(III)的氧化和迁移机制：pH 7-9的范围内，Mn(II)在30nm α-Fe2O3的表面发生了催化自氧化现象，并生成MnOx。生成的MnOx可将溶液中的As(III)氧化As(V)，而As(V)将进而吸附在α-Fe2O3的表面；MnOx还可将吸附在α-Fe2O3表面的As(III)和As(V)排斥到溶液中。此外我们发现，Mn(II)和As(V)先在α-Fe2O3上吸附, 然后Mn(II)氧化成MnOx, MnOx对吸附的As(V)有一定的挤兑效应, 导致As(V)被释放, 溶液中As(V)浓度升高。该项目的科学意义在于可以确定有氧自然环境中Mn(II)的非生物自氧化过程对As(III)氧化和迁移的影响，为有效控制有氧水环境中的As(III)和其它还原性污染物提供可靠的理论依据与基础数据。