金屬和類金屬離子在鐵錳氧化物上的耦合反應(yīng)動力學(xué)的定量研究

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:鐵錳氧化物是控制環(huán)境中金屬/類金屬污染物運輸和歸趨的最重要的環(huán)境介質(zhì)之一。影響污染物行為的典型化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)包括表面吸附/解吸、氧化/還原、礦物溶解/轉(zhuǎn)化等，而這些反應(yīng)都可能受到微生物過程的介導(dǎo)，其反應(yīng)速率隨具體環(huán)境條件的不同而變化。盡管金屬/類金屬離子與鐵錳氧化物的反應(yīng)機理已有了廣泛的研究，但由于反應(yīng)體系的復(fù)雜性和多種共存的動力學(xué)過程，金屬/類金屬和鐵錳氧化物的耦合反應(yīng)動力學(xué)的定量研究仍然面臨很多難點。

定量計算離子與鐵錳氧化物的非均質(zhì)點位的反應(yīng)速率是預(yù)測耦合動力學(xué)過程的基礎(chǔ)。在典型的化學(xué)反應(yīng)中，離子吸附一般是很快的，表面絡(luò)合模型已被廣泛用于描述各種鐵氧化物上的離子吸附；離子從鐵氧化物上的解吸過程可能是緩慢的，其解吸速率由鐵氧化物的非均質(zhì)反應(yīng)點位控制。在鐵錳氧化物上開展多個反應(yīng)過程的定量研究時，通常需要具體考慮多個反應(yīng)之間的動態(tài)耦合。例如，鐵錳氧化還原反應(yīng)速率受到污染物在鐵錳氧化物上的吸附/解吸反應(yīng)的影響，吸附/解吸和氧化還原反應(yīng)之間的動態(tài)耦合在控制不同時間尺度下的反應(yīng)速率起著關(guān)鍵作用。定量模型的發(fā)展為評估各個反應(yīng)對總反應(yīng)速率的貢獻(xiàn)提供了有效的工具，將來模型的發(fā)展需要將微生物功能，礦物質(zhì)組成和電子傳遞速率等信息直接整合到耦合動力學(xué)模型中。

除了微觀界面反應(yīng)之外，礦物溶解/轉(zhuǎn)化在控制污染物行為方面也起著關(guān)鍵作用。實驗中已經(jīng)廣泛觀測到砷釋放和鐵氧化物還原溶解之間存在著密切關(guān)聯(lián)，表明鐵氧化物在控制環(huán)境中砷的反應(yīng)歸趨起著關(guān)鍵作用。根據(jù)鐵礦物組成，可以構(gòu)建綜合性的耦合動力學(xué)反應(yīng)模型，包括吸附/解吸，溶解/沉淀和結(jié)構(gòu)摻入等。近年來金屬/類金屬與鐵氧化物的動力學(xué)反應(yīng)模型的最新進(jìn)展為將來進(jìn)一步開發(fā)綜合性的動力學(xué)模型提供了堅實的基礎(chǔ)。

總體而言，金屬/類金屬污染物和礦物的耦合動力學(xué)過程的定量理解對于準(zhǔn)確預(yù)測環(huán)境中污染物的傳輸和歸趨至關(guān)重要。發(fā)展耦合反應(yīng)動力學(xué)模型的關(guān)鍵要素總結(jié)在下圖中。該領(lǐng)域的其它研究前沿包括：（1）有機質(zhì)、微生物和礦物之間的動態(tài)相互作用;（2）化學(xué)反應(yīng)、物理傳輸和微生物動力學(xué)過程的耦合;（3）模型從微觀尺度到場地尺度的尺度轉(zhuǎn)換。這些領(lǐng)域的未來研究將有助于開發(fā)適用于現(xiàn)場條件的模型。

該論文的第一作者及通訊作者是來自華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院的石振清教授。研究工作得到了中央高校項目(No. 2018PY10)和廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊項目(No. 2016ZT06N569)的支持。

原標(biāo)題:金屬和類金屬離子在鐵錳氧化物上的耦合反應(yīng)動力學(xué)的定量研究