黄钾铁矾的还原-重结晶特征及负载铬的迁移转化规律研究

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酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)具有低p H、高SO42-浓度、高Fe3+浓度和高重金属浓度的特征。在AMD环境中易于形成铁硫酸盐次生矿物如黄钾铁矾等。AMD环境中重金属(如,铬)的地球化学循环过程与黄钾铁矾的形成和转化密切相关。重金属可以与黄钾铁矾共沉淀或吸附在黄钾铁矾表面,然而,随着环境条件的改变,亚稳态的黄钾铁矾会向更稳定的晶相转化,并导致固定在矿物内的重金属的迁移转化。本研究在厌氧条件下,探讨分析了异化铁还原菌shewanella oneidensis MR-1(S.oneidensis MR-1)和Fe(Ⅱ)对黄钾铁矾的还原-重结晶机制及Cr的迁移转化行为的影响特征。主要研究结果如下:(1)采用水热法合成的纯黄钾铁矾(0Cr-J)和两种不同Cr负载量的黄钾铁矾(1.0Cr-J和10.0Cr-J)均为黄色粉末状,Cr负载没有明显改变黄钾铁矾的颜色和形貌。XRD图谱显示Cr负载没有改变黄钾铁矾的晶型结构,且合成的黄钾铁矾衍射峰峰强较强、毛刺不多,可见合成的黄钾铁矾晶型较好。SEM结果表明三种黄钾铁矾晶体尺寸比较均匀,均呈现光滑的(椭)球形,并且随着Cr负载量的增大,黄钾铁矾的晶体逐渐变小,比表面积逐渐增大。(2)S.oneidensis MR-1还原溶解负载Cr黄钾铁矾过程中,Cr负载能够增强黄钾铁矾的生物稳定性,从而抑制黄钾铁矾的溶解转化。在不含Cr实验组,黄钾铁矾相转变产物为蓝铁矿和针铁矿;而在负载Cr实验组,二次矿物仅为蓝铁矿。实验过程中,黄钾铁矾结构内有少量的Cr溶出,进入水体,随后又被吸附于新形成的二次矿物上。固相中Cr形态分析表明,黄钾铁矾中的Cr由原来的残渣态逐渐转化为不定型铁结合态,固相中Cr释放的风险增大。且XPS检测结果表明,矿物中部分Cr(Ⅵ)被还原生成毒性更低的Cr(Ⅲ)。(3)溶液中的Fe(Ⅱ)能促进黄钾铁矾的还原性溶解及相转变,Fe(Ⅱ)也能将矿物中的Cr(VI)还原为毒性和迁移性更低的Cr(III)。黄钾铁矾的转化程度和次生矿物的类型及形成时间受Fe(II)浓度的影响。0.5 m M Fe(Ⅱ)条件下,黄钾铁矾部分晶相转化为针铁矿,而2 m M Fe(Ⅱ)条件下,黄钾铁矾的特征峰完全被纤铁矿所代替。纤铁矿倾向于向热力学更稳定的矿物相针铁矿转化,但2 m M Fe(Ⅱ)条件下并未检测到针铁矿的生成,猜测可能由于Fe(Ⅱ)还原Cr(VI)生成的Cr(III)会和黄钾铁矾溶出的Fe(III)反应,生成的Cr(III)-Fe(III)氢氧化物附着在矿物表面阻塞电子传递过程,阻碍了次生矿物的发育。Fe(Ⅱ)还原溶解黄钾铁矾过程中,固相中吸附态Cr和不定型铁结合态Cr所占比例增加,Cr的迁移性增强,潜在环境风险增大。本研究揭示了异化铁还原菌S.oneidensis MR-1和还原性物质Fe(II)对含Cr黄钾铁矾的还原性溶解机制及Cr的迁移转化行为。这有助于进一步认识黄钾铁矾还原性溶解和重金属Cr归趋之间的相互影响,为矿区Cr污染治理提供理论依据。
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