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硫代砷酸是含硫还原水环境中重要的砷形态。硫代亚砷酸在铁氧化物表面的吸附对于硫化环境中砷在固液界面的分配和砷的迁移转化过程具有重要意义,但对于硫代亚砷在铁矿物表面的吸附行为及其反应过程仍然缺乏相关数据及机理探索。本文研究了不同实验条件下,雌黄溶解溶液和砷硫反应溶液中硫代砷的形成和可能的反应机理,并且研究了AsⅢ-S-Ⅱ溶液中形成的硫代亚砷酸在磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)和硫化亚铁(FeS)表面的吸附行为和吸附反应,进而探讨可能的反应机理。最后对于负二价硫影响吸附在矿物表面砷酸的形态和固液分配进行了探索性研究。 实验得到如下主要结论: (1)研究发现,在一定实验条件下,在雌黄固相溶解和砷硫液相反应样品中均形成硫代砷形态。常温厌氧中性条件下,雌黄溶解在负二价硫和氢氧化钠溶液中形成亚砷酸和三硫代亚砷酸。亚砷酸与负二价硫发生硫代反应形成硫代亚砷酸。砷酸一方面与负二价硫发生硫代反应形成硫代砷,另一方面发生还原反应形成亚砷酸。作为砷酸与负二价硫反应形成的中间产物,单硫代五价砷与负二价硫发生硫代反应,形成高硫代程度的硫代五价砷形态。 (2)pH值和负二价硫浓度是影响硫代砷形成过程和赋存形态的重要因素。pH值越低,砷酸与负二价硫反应速率越快,越有利于硫代砷形态的形成。负二价硫浓度越高,形成的硫代砷的硫代程度越高。AsⅢ-S-Ⅱ溶液中,相同pH值和初始砷浓度条件下,S/As=3溶液中砷的硫代程度高于S/As=1溶液中的砷; (3)吸附实验结果表明,在中性到碱性条件下,砷平衡浓度较低时,AsⅢ-S-Ⅱ溶液中砷在磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)和硫化亚铁(FeS)表面的吸附量低于亚砷酸,说明硫代亚砷酸在三种矿物表面的亲和力低于亚砷酸,在环境中具有更高的迁移性。 (4)硫代亚砷在不同铁矿物表面发生不同的吸附反应,产生不同的表面沉淀物,并且吸附在矿物表面的砷形态也发生了不同的变化。硫代亚砷酸在磁铁矿表面吸附过程中发生脱硫反应,产生的亚砷酸为吸附在矿物表面的主要砷形态,并且形成单质硫和硫化亚铁。中性条件下,在赤铁矿吸附体系中,S/As=1体系的矿物表面形成无定形硫化砷沉淀,而在S/As=3体系中形成硫化亚铁和单质硫沉淀,硫代亚砷被单质硫氧化为(硫代)五价砷形态。在硫化亚铁表面,硫代亚砷酸的硫代程度增加,并且形成硫化砷沉淀。在较高的砷平衡浓度时,硫代亚砷酸在矿物表面的吸附量明显增加,并且高于亚砷酸,这可能由于吸附过程中形成表面沉淀造成,说明硫代亚砷酸转化为表面沉淀可能是影响砷吸附的一个重要过程。因此,硫代亚砷酸的形成是影响砷在硫化环境中再分配的重要因素。 (5)负二价硫对于吸附态砷的固液分配和赋存形态具有重要影响。一方面,负二价硫与砷的竞争吸附作用会导致吸附在矿物表面的砷释放,另一方面,负二价硫会与吸附态砷酸发生氧化还原反应和硫代反应,形成与矿物亲和力更低的硫代砷和亚砷酸,导致砷在矿物表面的吸附量降低。 本文的研究结果补充了含硫水环境中砷形态在固液界面吸附行为的相关研究,有助于完善砷的地球化学循环过程,可能为高砷地下水的形成原因提供科学依据和基础理论数据,有助于砷污染地下水治理措施的提出。