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    金屬硫化物礦物風化行為及其環境效應研究取得新進展

    發布時間:2021-07-20

    金屬硫化物礦物是自然界常見的礦物種類之一,在自然界廣泛分布。受其自身結構的影響,自然條件下金屬硫化物礦物極易發生風化作用,釋放出重金屬離子并產生酸性廢水,造成周邊環境重金屬和酸性排水污染。隨著金屬硫化物礦產資源的開發利用加劇,由金屬硫化物礦物風化引起的場地土壤、水資源污染日益嚴重,上述問題越來越受到政府有關部門和相關研究領域科學家的重視。作為具有半導體性質的礦物典型代表,本質上說,金屬硫化物礦物的風化過程是個電化學反應。為此,李和平課題組的劉慶友研究員將電化學測試技術引入到環境地球化學學科領域研究中,成功搭建了金屬硫化物礦物腐蝕電化學行為實驗研究平臺;開展了多種自然環境介質條件下的硫化物礦物風化行為研究,為金屬硫化物礦物風化引起的相關場地土壤、水資源污染產生機制提供理論解釋及其源頭治理提供策略。通過一年來的不懈努力,在上述領域的多個研究方向上取得了新的研究進展。

    (1)作為陸生和水生動植物化學和微生物降解的產物,腐殖酸在自然界中無處不在,是土壤、沉積物和水中的主要有機成分。腐殖酸含有豐富的含氧官能團,如羧基、羥基、酚羥基和羰基等,腐殖酸可通過這些含氧官能團與Fe、AsCu等金屬硫化物礦物風化釋放的眾多金屬離子絡合形成絡合物,并影響這些離子的遷移和轉化。這種作用也間接地影響到金屬硫化物礦物的風化機制與速率。

    (2) 土壤是地球上整個陸地生態系統的重要組成部分,是人類賴以生存的最基本的自然資源。我國的土壤呈“南酸北堿”特性,以堿性土壤為例,其中含有大量的分子或離子,諸如O2、OH-、Cl-SO42-受金屬硫化物礦產資源開發利用的需求,在金屬硫化物礦物的開采、運輸和尾礦的堆積過程中,金屬硫化物礦物都會進入土壤中。土壤中的溶解氧和OH-可在陰極處被還原,SO42- 可與金屬硫化物礦物方鉛礦風化產生的Pb(II)離子結合成PbSO4,而Cl- 具有穿透表面膜的強烈傾向。土壤中的上述分子(離子)都會對金屬硫化物礦物風化過程的熱力學和動力學產生重要影響。

    (3) 酸雨是環境污染的來源之一,我國一些地區(包括大型金屬硫化物礦區)也是酸雨多發區域。當金屬硫化物礦物遭遇酸雨(pH<5.6)的侵蝕時,酸雨中大量的 H+ 勢必加劇金屬硫化物礦物的風化。

    基于上述分析,李和平課題組借助多種電化學測試技術和表面分析測試技術,成功開展了砷黃鐵礦在無/有腐殖酸的水體介質、砷黃鐵礦在酸雨介質,以及方鉛礦在堿性土壤介質下的風化行為實驗研究,獲得了上述自然條件下,各金屬硫化物礦風化過程定量的熱力學、動力學參數,闡明了金屬硫化物礦物各組成元素的地球化學循環過程,并定量評估了一定時期內金屬硫化物礦物重金屬釋放的量及酸(堿)度變化,研究結果為金屬硫化物的重金屬和酸性廢水污染的產生機制提供了科學的理論解釋及其污染的源頭治理提供了有效的策略;同時,原位電化學測試技術的應用也為自然界其他導電性固體物質在自然環境下的環境效應影響實驗研究提供了一種新的研究思路。

    圖1 砷黃鐵礦在無/有腐殖酸水體介質下的風化行為

    圖2 方鉛礦在堿性土壤介質下的風化行為

    圖3 砷黃鐵礦在酸雨介質下的風化行為

    上述研究成果發表在《Water Research》、《Journal of Hazardous Materials》《Science of the Total Environment》等環境科學領域知名期刊,同時獲得發明專利授權1項。該研究受到國家自然基金 (U1812402、41873074)及國家重大科研儀器研制項目(自由申請) (41827802)的資助。

    成果目錄:

    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.

    全文鏈接: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.

    全文鏈接: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.

    全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142708

    4.劉慶友, 王帥, 馮曉楠, 鄭凱. 一種快速測定金屬硫化物礦物在土壤中風化活化能的方法. 專利號: ZL2020106502882, 授權公告日: 2021.05.14.

    (李和平課題組/供稿)

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