毒砂在酸性溶液中的水-矿表界面反应机制研究

摘要

为了解毒砂（Apy）在风化过程中其矿物表面的化学成分的变化和风化进程，并评估这一过程及其产物带来的潜在环境风险，我们采用边长切割为2.5mm左右具有“立方体”外形的毒砂样品，将其分别与pH为0、1、3的硫酸溶液在反应釜中进行100-300℃的水矿反应实验。对反应淋出液进行了电感耦合等离子原子发射光谱（ICP-AES）分析，并对反应残余固体进行了包括表面产物的X射线光电子能谱（XPS）、电子探针微分析（EPMA）、X射线粉晶衍射测试（XRD）及扫描电子显微镜（SEM）形貌观察等分析和测试。本研究的ICP-AES测试结果表明，有大量的砷（As）进入溶液（其价态未测定），且随着温度的升高或酸浓度的增加，溶液中的As离子浓度显著升高。对反应产物的形貌观察（SEM）显示，毒砂的溶解反应从矿物颗粒的裂隙边缘和立方体边缘部位开始进行，反应界面逐步向立方体内部迁移。XPS对反应残余固体表面的元素窄扫描显示，表面有Fe3＋、S8、SO32-、SO42-、As3＋、As5＋和少量的As1＋生成，其中含量较多的是As3＋离子。样品的As2p3/2 深度剖析显示，随着剥蚀深度的增加，还原态As含量增加，而氧化态As含量减少，表明反应促使毒砂氧化，生成氧化态As。由于氧化态的As大量转移至溶液中，暗示了毒砂的氧化造成了As元素从含As的矿物、岩石中溶解活化，并通过地下水等方式参与地表及地下水循环，从而对生态环境构成巨大的潜在威胁。