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金属和类金属离子在铁锰氧化物上的耦合反应动力学的定量研究

  北极星环境修复网讯:铁锰氧化物是控制环境中金属/类金属污染物运输和归趋的最重要的环境介质之一。影响污染物行为的典型化学动力学反应包括表面吸附/解吸、氧化/还原、矿物溶解/转化等,而这些反应都可能受到微生物过程的介导,其反应速率随具体环境条件的不同而变化。尽管金属/类金属离子与铁锰氧化物的反应机理已有了广泛的研究,但由于反应体系的复杂性和多种共存的动力学过程,金属/类金属和铁锰氧化物的耦合反应动力学的定量研究仍然面临很多难点。

  定量计算离子与铁锰氧化物的非均质点位的反应速率是预测耦合动力学过程的基础。在典型的化学反应中,离子吸附一般是很快的,表面络合模型已被广泛用于描述各种铁氧化物上的离子吸附;离子从铁氧化物上的解吸过程可能是缓慢的,其解吸速率由铁氧化物的非均质反应点位控制。在铁锰氧化物上开展多个反应过程的定量研究时,通常需要具体考虑多个反应之间的动态耦合。例如,铁锰氧化还原反应速率受到污染物在铁锰氧化物上的吸附/解吸反应的影响,吸附/解吸和氧化还原反应之间的动态耦合在控制不同时间尺度下的反应速率起着关键作用。定量模型的发展为评估各个反应对总反应速率的贡献提供了有效的工具,将来模型的发展需要将微生物功能,矿物质组成和电子传递速率等信息直接整合到耦合动力学模型中。

  除了微观界面反应之外,矿物溶解/转化在控制污染物行为方面也起着关键作用。实验中已经广泛观测到砷释放和铁氧化物还原溶解之间存在着密切关联,表明铁氧化物在控制环境中砷的反应归趋起着关键作用。根据铁矿物组成,可以构建综合性的耦合动力学反应模型,包括吸附/解吸,溶解/沉淀和结构掺入等。近年来金属/类金属与铁氧化物的动力学反应模型的最新进展为将来进一步开发综合性的动力学模型提供了坚实的基础。

  总体而言,金属/类金属污染物和矿物的耦合动力学过程的定量理解对于准确预测环境中污染物的传输和归趋至关重要。发展耦合反应动力学模型的关键要素总结在下图中。该领域的其它研究前沿包括:(1)有机质、微生物和矿物之间的动态相互作用;(2)化学反应、物理传输和微生物动力学过程的耦合;(3)模型从微观尺度到场地尺度的尺度转换。这些领域的未来研究将有助于开发适用于现场条件的模型。

  该论文的第一作者及通讯作者是来自华南理工大学环境与能源学院的石振清教授。研究工作得到了中央高校项目(No. 2018PY10)和广东省创新创业团队项目(No. 2016ZT06N569)的支持。