亚硫酸盐促进三价铬氧化性溶解迁移及其机理研究

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近年来,随着工业化的快速发展和人口的迅速增长,世界范围内酸雨事件频发。其中,中国南部受灾严重,影响地区超过100万km~2。酸雨的发生可能会加速土壤的酸化,导致土壤中重金属的迁移性和毒性增加,从而对环境和人体健康造成潜在的危害。目前有关酸雨对土壤中重金属迁移性以及存在形态影响的研究大多数集中在硫酸和硝酸上,忽略了实际酸雨组成中痕量亚硫酸盐(包括SO32-和HSO3-)的影响。由于环境中三价铬(Cr(Ⅲ))常以氢氧化铬(Cr(OH)3)和铁铬共沉淀(Fe1-xCrx(OH)3,0<x<1)等形态存在,其中含有的过渡金属Fe/Cr可活化SO32-/HSO3-产生一系列活性自由基氧化剂,可能会影响Cr(OH)3和Fe1-xCrx(OH)3的稳定性,增加Cr的溶解和迁移。因此,本文研究了酸雨淋溶时亚硫酸盐的赋存对Cr(OH)3和Fe1-xCrx(OH)3中Cr(Ⅲ)氧化性溶解迁移的影响及其机理,主要包括:模拟酸雨淋溶条件下Cr(Ⅲ)的氧化性溶解迁移情况,不同反应条件下(不同Fe:Cr比例、初始亚硫酸盐浓度、反应体系p H值、环境温度、常见无机阴离子)亚硫酸盐对Cr(Ⅲ)氧化的影响,以及亚硫酸盐对Cr(OH)3和Fe1-xCrx(OH)3中Cr(Ⅲ)的氧化性溶解的作用机理。本文主要研究结果如下:(1)亚硫酸盐的存在会导致Cr(OH)3和Fe1-xCrx(OH)3中Cr(Ⅲ)的氧化,增强Cr(Ⅲ)的氧化性溶解迁移(即由于Cr(Ⅲ)氧化导致的Cr(OH)3、Fe1-xCrx(OH)3沉淀中总Cr的溶出增加,溶出的Cr以Cr(Ⅵ)或Cr(Ⅲ)形态存在)。Cr(OH)3和Fe1-xCrx(OH)3中的Cr/Fe能活化部分亚硫酸盐,产生亚硫酸根自由基、硫酸根自由基、过硫酸根自由基、羟基自由基等一系列活性氧自由基,其中硫酸根自由基作为主要的氧化剂可将沉淀表面的Cr(Ⅲ)氧化为Cr(Ⅵ),随后迁移到水相中;而没有被活化的亚硫酸盐则会将部分水相中的Cr(Ⅵ)再次还原为Cr(Ⅲ),从而促进Cr(OH)3和Fe1-xCrx(OH)3中Cr(Ⅲ)的氧化性溶解迁移。(2)当含亚硫酸盐的模拟酸雨持续淋溶时,将促进Cr(OH)3和Fe1-xCrx(OH)3中Cr(Ⅲ)的氧化性溶解迁移,Fe0.5Cr0.5(OH)3中Cr(Ⅲ)的溶出浓度高于Cr(OH)3;而在纯水淋溶作用下,Cr(OH)3中Cr(Ⅲ)的溶出浓度更高。(3)当pH=3、亚硫酸盐浓度为5 mM、Cr(Ⅲ)浓度为1 m M、Fe:Cr=5:5(即Fe0.5Cr0.5(OH)3)、环境温度为25℃时,亚硫酸盐与Fe1-xCrx(OH)3反应过程中检出的Cr(Ⅵ)浓度最高。在此条件下,反应进行216 h后溶液中Cr(Ⅵ)检出浓度为0.11mg/L,高于《GB 3838-2002地表水环境质量标准》中V类水规定的Cr(Ⅵ)标准限值(0.10 mg/L),总Cr检出浓度为Fe0.5Cr0.5(OH)3中Cr含量的54.40%。而当其它反应条件相同,Fe:Cr=0:10(即Cr(OH)3)时,亚硫酸盐介导的Cr(OH)3氧化现象较弱,反应进行240 h内溶液中Cr(Ⅵ)检出浓度低于0.02 mg/L,总Cr检出浓度仅为Cr(OH)3中Cr含量的4.87%。(4)不同无机阴离子的存在对Cr(Ⅲ)的氧化情况有着不同程度的影响:Cl-的存在能明显促进Cr(Ⅲ)的氧化;NO3-的存在对Cr(Ⅲ)的氧化影响不大;SO42-对反应体系中Cr(Ⅲ)的氧化稍有抑制;H2PO4-的存在极大地抑制了Cr(Ⅲ)的氧化。
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