土壤和沉积物中铊的原位化学形态和固液界面反应研究

The natural weathering and mining of Thallium-rich minerals lead to TI release into the surrounding environments, resulting in elevated TI concentrations in soil, water and river sediments that much higher than environmental standards in Southwest China. Due to its highly toxicological effects and contamination problems, it is important to obtain a mechanistic understanding of its release, transport, transformation and fate in those polluted regions, which is inhibited by the missing of in-situ TI speciation in the environmental matrices and relevant interfacial interaction mechanism. In this proposed work, we plan to investigate 1) the in-situ speciation of TI in pyrite minerals and smelting wastes, soil and sediments from Yunfu, Guangdong province, 2) the interaction mechanisms between TI and relevant components in the environment matrices, using modern environmental molecular science tools. We strive to elucidate the molecular-level environmental geochemical processes in this polluted area. Results from this project may help evaluate the environmental risk of TI and provide guidance for the release control and contamination remediation of TI. The developed methodology and research findings can also be applied to other TI polluted regions.

西南地区铊共生矿床的自然风化及其资源开发造成铊向周边环境释放，很多地区的水体、土壤和沉积物中的铊含量远超环境标准。由于铊的极高毒性和污染问题的严重性，其在污染区域的释放、迁移、转化和沉积过程急需被阐明。而铊在污染环境介质中的原位化学形态（包括氧化态、化合态、矿物态、吸附配位环境和纳米至微米尺度的分布等）和界面化学反应机理是认识这些环境地球化学过程的基础。本申请项目拟采用现代分子环境科学的技术手段（电镜分析和X射线光谱学为主）研究：１）广东云浮硫铁矿和冶炼废物、受纳土壤和河流沉积物中铊的原位化学形态；2）铊与这些环境介质的主要组分交互作用的微观机理。通过以上研究，我们期待从分子水平上系统揭示铊在这一污染区域中的环境地球化学过程，研究结果有望帮助评价铊在污染区域的环境风险，并为控制铊的污染排放和原位修复提供科学指导。所建立的分析研究方法和研究结果也有助于其它铊污染区域的研究。

本项目拟研究铊在相关环境介质存在的原位化学形态和主要的界面化学反应机理，以期从分子水平上系统揭示铊在相关污染区域中的环境地球化学过程。我们创新性地利用微量热分析技术，研究了一价铊在一系列矿物和碳材料上的吸附反应的热力学和动力学。其中，铊在赤铁矿、活性炭和黑碳上的离子交换反应速率 较快且接近（速率常数7.7 – 9.3 × 10-4/s），而在黏土矿（伊利石和蒙脱石）上的反应速率较慢（3.3 – 4.9 × 10-4/s）。钠离子能完全交换赤铁矿和活性炭上的铊，但不能完全交换黑碳和黏土矿上的铊。研究结果揭示铊在这些介质上的吸附机理和吸附位点亲和度有差别。此外，我们系统地揭示了污泥热解过程硫元素的转化，以及其对亲硫元素配位环境的影响。结果有助于评估铊在相关基质的移动性和污泥处理产物作为铊吸附剂的潜力。