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金属硫化物矿物风化行为及其环境效应研究取得新进展

发布时间:2021-07-20

金属硫化物矿物是自然界常见的矿物种类之一,在自然界广泛分布。受其自身结构的影响,自然条件下金属硫化物矿物极易发生风化作用,释放出重金属离子并产生酸性废水,造成周边环境重金属和酸性排水污染。随着金属硫化物矿产资源的开发利用加剧,由金属硫化物矿物风化引起的场地土壤、水资源污染日益严重,上述问题越来越受到政府有关部门和相关研究领域科学家的重视。作为具有半导体性质的矿物典型代表,本质上说,金属硫化物矿物的风化过程是个电化学反应。为此,李和平课题组的刘庆友研究员将电化学测试技术引入到环境地球化学学科领域研究中,成功搭建了金属硫化物矿物腐蚀电化学行为实验研究平台;开展了多种自然环境介质条件下的硫化物矿物风化行为研究,为金属硫化物矿物风化引起的相关场地土壤、水资源污染产生机制提供理论解释及其源头治理提供策略。通过一年来的不懈努力,在上述领域的多个研究方向上取得了新的研究进展。

(1)作为陆生和水生动植物化学和微生物降解的产物,腐殖酸在自然界中无处不在,是土壤、沉积物和水中的主要有机成分。腐殖酸含有丰富的含氧官能团,如羧基、羟基、酚羟基和羰基等,腐殖酸可通过这些含氧官能团与FeAsCu等金属硫化物矿物风化释放的众多金属离子络合形成络合物,并影响这些离子的迁移和转化。这种作用也间接地影响到金属硫化物矿物的风化机制与速率。

(2) 土壤是地球上整个陆地生态系统的重要组成部分,是人类赖以生存的最基本的自然资源。我国的土壤呈“南酸北碱”特性,以碱性土壤为例,其中含有大量的分子或离子,诸如O2OH-Cl-SO42-受金属硫化物矿产资源开发利用的需求,在金属硫化物矿物的开采、运输和尾矿的堆积过程中,金属硫化物矿物都会进入土壤中。土壤中的溶解氧和OH-可在阴极处被还原,SO42- 可与金属硫化物矿物方铅矿风化产生的Pb(II)离子结合成PbSO4,而Cl- 具有穿透表面膜的强烈倾向。土壤中的上述分子(离子)都会对金属硫化物矿物风化过程的热力学和动力学产生重要影响。

(3) 酸雨是环境污染的来源之一,我国一些地区(包括大型金属硫化物矿区)也是酸雨多发区域。当金属硫化物矿物遭遇酸雨(pH<5.6)的侵蚀时,酸雨中大量的 H+ 势必加剧金属硫化物矿物的风化。

基于上述分析,李和平课题组借助多种电化学测试技术和表面分析测试技术,成功开展了砷黄铁矿在无/有腐殖酸的水体介质、砷黄铁矿在酸雨介质,以及方铅矿在碱性土壤介质下的风化行为实验研究,获得了上述自然条件下,各金属硫化物矿风化过程定量的热力学、动力学参数,阐明了金属硫化物矿物各组成元素的地球化学循环过程,并定量评估了一定时期内金属硫化物矿物重金属释放的量及酸(碱)度变化,研究结果为金属硫化物的重金属和酸性废水污染的产生机制提供了科学的理论解释及其污染的源头治理提供了有效的策略;同时,原位电化学测试技术的应用也为自然界其他导电性固体物质在自然环境下的环境效应影响实验研究提供了一种新的研究思路。

图1 砷黄铁矿在无/有腐殖酸水体介质下的风化行为

图2 方铅矿在碱性土壤介质下的风化行为

图3 砷黄铁矿在酸雨介质下的风化行为

上述研究成果发表在《Water Research》、《Journal of Hazardous Materials》《Science of the Total Environment》等环境科学领域知名期刊,同时获得发明专利授权1项。该研究受到国家自然基金 (U1812402、41873074)及国家重大科研仪器研制项目(自由申请) (41827802)的资助。

成果目录:

1.Shuai Wang, Kai Zheng, Heping Li, Xiaonan Feng, Luying Wang, Qingyou Liu*. Arsenopyrite weathering in acidic water: Humic acid affection and arsenic transformation. Water Research, 2021, 194:116917.

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.116917

2.Xiaonan Feng, Qingyou Liu*, Shuai Wang, Ling Cen, Heping Li*. Arsenopyrite weathering in acid rain: arsenic transfer and environmental implications. Journal of Hazardous Materials, 2021, 420: 126612.

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126612

3.Shuai Wang, Kai Zheng, Qingyou Liu*, Luying Wang, Xiaonan Feng, Heping Li*. Galena weathering in simulated alkaline soil: Lead transformation and environmental implications. Science of the Total Environment, 2021, 755(2):142708.

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142708

4.刘庆友, 王帅, 冯晓楠, 郑凯. 一种快速测定金属硫化物矿物在土壤中风化活化能的方法. 专利号: ZL2020106502882, 授权公告日: 2021.05.14.

(李和平课题组/供稿)