缺氧条件下矿物-水界面砷的再分配过程及As-Fe-S体系的化学平衡研究

水体砷污染是我国比较突出的环境污染问题，自然原因或人为排放造成一些地区的地下水和地表水砷含量远高于国家标准，严重威胁着人群健康和生态环境质量。水体中砷的迁移性在很大程度上由其在固液界面的氧化还原、吸附解吸及沉淀/共沉淀等反应控制，由于砷在水体中大多处于缺氧环境，因此厌氧微生物的作用将使砷以及与其密切相关的元素铁和硫被不同程度地还原，并由此引发矿物-水界面的一系列反应，使砷在水相和沉积物之间经历一个再分配过程，从而导致砷被释放或进一步固定。然而，人们对这个再分配过程是如何发生的、涉及到什么反应、达到什么状态等问题还没有清晰认识。本项目将对As-Fe-S体系在缺氧氛围中固-液界面砷的再分配过程开展深入研究，搞清再分配过程中砷的流向和路径，获取界面反应的基础热力学数据，建立体系的化学平衡模型。问题的解决将有助于深入研究和较准确预测水环境中砷的迁移和归趋，并为污染调控/修复方法的建立提供理论依据。

在缺氧环境中，高价态砷在厌氧微生物及地球化学因素作用下会发生还原，而低价态砷在具有光催化能力的矿物表面会发生氧化，从而引起砷在各原生及次生矿物间的再分配，由此导致砷的释放或固定。本项目主要研究了沉积物和土壤中砷、铁、硫的还原引起的砷形态转化与再分配以及砷在各种矿物表面的吸附。研究发现，厌氧微生物作用下沉积物中的五价砷被还原为三价，随着硫酸盐还原，三价砷逐步转化为硫化砷。当硫离子继续累积时，硫化砷发生溶解，转化为硫代砷。缺氧环境中土壤低浓度砷的转化经历类似的过程，但硫化砷溶解产生的硫代砷会随着硫化亚铁向黄铁矿的转化而再次被固定。吸附结果表明，硫代砷在矿物表面的吸附量明显小于非硫代砷，这可能是缺氧环境中砷迁移性较大的主要原因之一。吸附研究还发现，层状双氢氧化物(Layered double hydroxides (LDHs))对砷具有很强的吸附能力，在一定程度上可以控制砷的迁移。此外，本项目还尝试进行了光催化氧化材料的制备和表征的一些初步研究工作。