高砷煤矿废水在Fe(Ⅲ)存在下As的自然净化机理的研究

摘要

在自然氧化作用下，高砷煤矿中的As从含砷矿物中释放出来，经一系列复杂的物理化学过程进入矿区周围的水体和沉积物中，从而对周围环境造成污染。本研究拟通过对铁和砷在实验室酸性水环境中吸附、沉淀过程的模拟实验,观察和跟踪As、Fe元素在酸性水中的迁移转化行为，分析在酸性环境中砷元素的迁移转化机理，为高砷煤矿区酸性溪流水系环境中砷的自然净化机理提供科学的理论基础，并为酸性废水除砷工艺提供借鉴。取得以下结论：
　　（1）H3AsO4和FeCl3的反应体系中，经过三个月时间上清溶液里的残余As、Fe浓度几乎不变，说明吸附、沉淀完全。吸附率均在97％以上，说明铁离子的存在确实对砷有吸附和共沉淀的作用。
　　（2）H3AsO4和Fe2(SO4)3的反应体系中，上清液里的As浓度在七天的时间里急剧减少，七天到一个月时间里上清溶液里的剩余As浓度几乎不变，而后又急剧减少，可能是As在大量SO42-离子存在的酸性环境下，与Fe离子的吸附、沉淀之间存在一个类似在盐效应影响过程。而后从一个月到两个月的时间里，Fe含量几乎没变，而As含量还有所降低，可能是后期沉积物对As有吸附的效果。吸附率均在99％以上，说明在大量SO42-离子存在的酸性环境中，铁是砷在水体中由液相转化成固相的重要载体，对砷的自净起到了很明显的作用。
　　（3）天然沉积物与人工模拟沉积物的红外吸收图谱显示：因采样地点相近或地质环境类似，故而天然样品TC1、TC2和TC3、TC4这两组红外图谱各自十分相似。四个现场样品（TC1、TC2、TC3、TC4）中均含有少量的臭葱石。TC1、TC2中的硫酸盐特征不很显著，TC3、TC4中的硫酸盐已发育较完善，并使水体形成了强酸介质环境。人工模拟MC1、MC2、MC3样品为H3AsO4和FeCl3的反应沉积物，而MC4、MC5、MC6样品为H3AsO4和Fe2（SO4）3的反应沉积物。两组方案沉积物的红外光谱各自十分相示，且均含有微量的臭葱石。事实上天然酸性环境中主要是铁的硫酸盐介质系统，而人工模拟的MC4、MC5、MC6样品也是在硫酸介质中进行，因此这三个红外图谱与天然沉积物典型红外吸收光谱图几乎完全一致。此外，由于野外环境中的砷含量是远小于铁的含量，MC1、MC2、MC3样品的红外图谱中显示出这种砷铁比的差距愈大，沉积物中的臭葱石的红外信号依次越弱。MC7样品已富集了MC6中的臭葱石，可以认为MC7的主要矿物之一为FeAsO4·2H2O。
　　（4）MC7样品的X衍射分析结果：其矿物组成为非晶质体和隐晶质体，与前人对该研究区域沉积物所作的调查一致。组分中的大量非晶质体主要是由水体中重金属离子形成氢氧化物胶体吸附沉淀、共沉淀而成。臭葱石在X衍射的分析中并未显示出来，可能是因为沉积物中该矿物的含量太低以至于难以检出。
　　（5）天然沉积物与人工模拟沉积物的透射电镜分析结果相似，均以氧化铁矿物为主，并吸附有微量的As，说明水体中砷的主要去除机理是铁的氧化物及氢氧化物的吸附作用。而MC7样品的透射电镜分析结果证实，在砷的迁移转化机理过程中确实有砷铁共沉淀的现象。通过人工模拟实验，进一步证实了由酸性矿山水带入水体的砷多吸附在悬浮的固体颗粒或被沉积物所吸附、络合或共沉淀，从而在水底的沉积物中富集。
　　（6）碳酸钙对砷、铁的吸附沉淀确实有影响，其吸附砷效率也基本在60％以上。硫酸钙几乎没有吸附砷离子，说明硫酸钙对于砷离子在水溶液中几乎没有吸附影响。

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第一章 绪 论

1.1 砷的环境化学特征及其危害

1.2 矿山酸性废水中砷的吸附、沉淀机理

1.3 选题背景、依据及意义

1.4 研究主要内容及工作

第二章 样品采集及实验方法

2.1 样品采集

2.2 实验内容、材料与方法

第三章 氧化铁砷体系砷的吸附、沉淀机理

3.1 两种不同配比的 As、Fe 吸附、沉淀研究

3.2 碳酸钙对砷与铁吸附、沉淀的影响

3.3 硫酸钙对砷与铁吸附、沉淀的影响

3.4 小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 存在问题与展望

致谢

参考文献

附 录

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