铁还原对典型有色金属冶炼砷渣稳定性的影响

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臭葱石沉淀法和铁砷共沉淀法被广泛应用于有色金属冶炼废水除砷固砷,其产生的臭葱石和铁砷共沉淀高砷废渣是重要的环境污染源。含砷废渣的稳定性是决定其环境风险的关键因素。还原条件下,含砷废渣中砷和铁的还原可能会导致其稳定性降低,然而,目前铁还原对这些含砷废渣稳定性的影响尚不完全清楚。自然环境中常见的氢醌和抗坏血酸均能通过电子传递将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),可能导致铁矿物发生还原性溶解,进而影响含砷废渣的稳定性。本研究利用氢醌和抗坏血酸作为还原剂,研究了酸碱度、还原剂用量以及不同碱中和条件下臭葱石和铁砷共沉淀中铁的非生物还原对其稳定性及砷释放的影响,并通过化学分析、光波谱表征、热力学计算等手段对其机理进行了深入探讨。通过系统研究,得到如下结论:  (1)氢醌和抗坏血酸均能引起臭葱石和铁砷共沉淀中铁的大量还原。氢醌分别能将臭葱石和铁砷共沉淀中72-90%和51-93%的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ);抗坏血酸则能将臭葱石中47-89%的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)。但二者均不能将臭葱石和铁砷共沉淀中As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)。  (2)在pH4-8条件下,氢醌对铁的大量还原未造成臭葱石中As的显著释放(≤3%)。与有氧环境中臭葱石的溶解度相比,在pH4-6条件下,铁的还原略微增加了臭葱石中砷的释放量,而在pH7-9条件下,氢醌对臭葱石的还原反而抑制了砷的释放。这表明在特定环境条件下,铁的还原不一定会增加臭葱石中砷的释放。在实验研究的pH值条件下,抗坏血酸对铁的还原均增加了臭葱石中As的释放。  (3)与臭葱石类似,氢醌对铁砷共沉淀中铁的还原与pH值有显著关系。随着pH值的升高,Fe还原量与释放量降低。而As的释放量则与pH值呈正相关关系,随pH值增加释放量增加。与有氧环境中铁砷共沉淀的溶解度相比,氢醌对铁的还原均增加了砷的释放量,导致其稳定性降低。  (4)氢醌对CaO和NaOH两种中和方式产生的铁砷共沉淀的还原结果显示,铁还原与砷释放受碱类型的影响较小。  (5)化学分析、固相表征(扫描电镜、X射线衍射,红外和拉曼光谱)以及热力学计算结果表明,在弱酸性和中性介质中,臭葱石和铁砷共沉淀中铁的还原导致Fe(Ⅱ)与As(Ⅴ)重新结合形成次生的砷酸亚铁相。氢醌(pH4-8)和抗坏血酸(pH5-8)分别还原臭葱石得到的最终固相主要是无定型FeHAsO4· xH2O以及无定型Fe3(AsO4)2·8H2O与FeHAsO4·xH2O的混合物,氢醌(pH4和6)还原铁砷共沉淀得到的固相产物主要是无定型FeHAsO4·xH2O。热力学计算结果显示,这些新形成的次生矿物主要在pH6-8范围内稳定,进而阻碍了砷向液相的释放。在弱碱性介质中,臭葱石(pH9)和铁砷共沉淀(pH8)中还原的Fe(Ⅱ)更易形成含Fe(Ⅱ)的(氢)氧化物(如Fe(OH)2,Fe3O4,绿绣),阻碍了砷酸亚铁相形成,造成砷的大量释放。
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