摘要
环境中砷污染普遍存在，多个国家和地区存在水体或土壤砷超标问题，长期接触或暴露在含砷超标环境中会对人体健康造成严重威胁。铁基材料由于价廉易制、表面位点多、对砷亲和力高等优点常用于砷污染修复。施氏矿物是自然存在于酸性矿山废水中的一种铁基材料，对As具有很强的吸附能力。因此，本文主要对比了施氏矿物和其他铁基材料对水溶液中As(Ⅲ)的吸附能力，并通过对双氧水或嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+合成施氏矿物过程的pH进行调控，探究不同条件制备的施氏矿物对As(Ⅲ)吸附能力的影响，最后对比了施氏矿物阻控水稻吸收转运As的效果和机制。该研究为砷污染环境的修复技术选择提供了理论指导。 (1)分别使用生物和化学法合成了施氏矿物和水铁矿，采用吸附实验对两种矿物吸附As(Ⅲ)的效果进行了比较研究。结果表明，施氏矿物的吸附速率常数k1(0.0139min-1)远大于水铁矿（0.0019min-1），符合伪一级动力学过程，施氏矿物对As(Ⅲ)的吸附是一个快速的过程。Langmiur和Freundlich两种吸附等温模型拟合结果表明两种矿物对As(Ⅲ)的吸附主要为单层吸附，施氏矿物对As(Ⅲ)的最大吸附量为165.73mg/g，也要大于水铁矿(139.50mg/g)。施氏矿物吸附As(Ⅲ)的最佳pH范围在6～10，而水铁矿为6～8，但是水铁矿在共存离子存在时表现出更好的稳定性。研究发现施氏矿物对As(Ⅲ)的吸附主要是As(Ⅲ)与矿物表面金属羟基的表面络合、As(Ⅲ)与矿物表面及隧道结构内SO42-的配位体交换作用，而水铁矿吸附As(Ⅲ)的主要机制为表面羟基的络合配位作用。 (2)对比了生物法与化学法在调节反应过程pH和双氧水投加方式下合成的施氏矿物对As的吸附行为。研究发现恒定反应pH为2.5的生物合成过程可使95.8％的总铁沉淀，显著提高所得施氏矿物的产量，且合成的矿物尺寸明显减小，比表面积显著增大，是常规条件生物合成施氏矿物的1.4倍。在pH为7的条件下对As(Ⅲ)的吸附容量可达289.74mg/g，吸附过程为单层吸附，且共存离子的存在对砷吸附影响不大。 (3)通过盆栽实验，对比了施氏矿物、水铁矿和Cu-La二元金属硫氧化物阻控水稻吸收转运砷的效果与机制。结果发现，在施用量为0.5％条件下，施氏矿物对水稻生长无明显影响，水铁矿促进了水稻生长，而Cu-La产生了明显的毒害效应;材料的添加在前期均能降低土壤孔隙水中As含量，但随着水稻淹水时间增长，铁的还原溶解导致As的释放，施氏矿物处理组最为明显;相关性分析表明孔隙水中的As与Fe呈显著的正相关;施氏矿物和水铁矿降低了根表铁膜对砷的吸收，能明显降低水稻籽粒中砷的含量;而铁矿物对土壤中砷的固定是以无定形铁氧化物态存在的。
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