在多金属-黄酸盐共存条件下，Cd、Pb和Zn在多孔介质中的反应性传输与滞留

《Water Research》：Reactive Transport and Retention of Cd, Pb, and Zn under Coexisting Multimetal-Xanthate Conditions in Porous Media

本研究通过柱运输实验和光谱表征，建立了多表面物种模型（MSM）解析Cd、Pb、Zn与铁氧化物、有机质、黏土矿物及乙基黄药（EX）的相互作用机制，揭示了EX负载浓度与多金属共存的复杂系统下重金属迁移转化的竞争规律。

　　本研究探讨了在采矿地区中，重金属镉（Cd）、铅（Pb）和锌（Zn）在多组分环境下的迁移与滞留行为。由于采矿活动产生的残留浮选试剂以及多种重金属的共存，这些重金属在土壤和地下水中的环境命运变得极为复杂。通过结合柱状迁移实验和光谱学表征方法，研究团队构建了一个多表面归一化模型（Multisurface Speciation Model, MSM），以定量描述这些重金属与关键滞留组分（如铁氧化物、有机质、黏土矿物和乙基黄药）之间的反应过程。该模型不仅能够揭示系统复杂性对重金属迁移与滞留的影响，还能明确乙基黄药（Ethyl Xanthate, EX）浓度变化如何改变这些过程。

在实验中，研究者首先考察了单一金属系统下，不同浓度的EX对重金属迁移和滞留行为的影响。随着EX浓度从0增加到1 mmol/L，整体的重金属滞留能力显著增强，同时三种金属的迁移受到明显抑制。这一现象表明，EX能够通过提供新的含硫官能团、增加土壤颗粒的净负电荷以及促进金属固定化的硫化反应，增强重金属的滞留。然而，当系统复杂性增加，即从单一金属系统转向多金属系统时，整体的滞留能力却有所下降，而金属的迁移能力则增强。这种变化主要归因于多金属之间的竞争作用，它们在与EX结合时的相互作用削弱了EX对重金属的吸附能力，进而降低了其整体的滞留效率。在多金属系统中，EX对Cd、Pb和Zn的滞留浓度分别下降了78.62%、52.44%和80.46%，这表明在复杂的多金属体系中，EX的作用被显著削弱。

研究进一步指出，在多金属系统中，金属之间的竞争作用不仅影响EX对它们的吸附能力，还可能改变其他土壤组分（如铁氧化物、有机质和黏土矿物）对重金属的滞留机制。例如，当EX浓度较高时，它可能占据了更多的吸附位点，从而减少了其他组分对重金属的吸附机会。然而，随着系统复杂性的增加，这种效应被金属之间的竞争所抵消，导致EX的吸附能力下降，而其他组分的吸附能力也因竞争而减弱。这种动态变化表明，在实际的土壤和地下水环境中，重金属的迁移和滞留行为并非单一因素决定，而是多种组分之间复杂的相互作用结果。

此外，研究团队还通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）以及ζ电位分析等方法，对重金属在不同条件下的滞留机制进行了深入表征。这些实验结果表明，EX在重金属滞留中扮演了关键角色，尤其是在单一金属系统中。然而，在多金属系统中，EX的主导地位被削弱，其对重金属的吸附能力下降，而其他组分的贡献则相对增强。这一发现为理解黄药在采矿环境中对重金属迁移的调控作用提供了新的视角。

研究的另一个重要贡献在于，构建了一个能够定量预测重金属在多组分体系中迁移与滞留行为的模型。传统的模型，如单点和双点非平衡模型或双点附着-脱离动力学模型，往往过于简化，忽略了显式的化学吸附机制，因此无法准确评估不同表面组分对重金属滞留的贡献。相比之下，MSM模型基于已知的热力学原理，能够模拟重金属在多种异质表面组分（如铁氧化物、有机质和黏土矿物）上的归一化行为。该模型不仅适用于单一金属系统，还能有效描述多金属系统中重金属的动态分配。研究团队通过实验数据验证了MSM模型的准确性，发现其在预测重金属滞留行为方面具有较高的可靠性。

实验结果还揭示了EX在不同系统中的作用机制。在单一金属系统中，EX能够通过其含硫官能团与重金属形成稳定的络合物，从而显著增强重金属的滞留能力。然而，在多金属系统中，由于金属之间的竞争，EX的吸附能力受到抑制，导致其对重金属的滞留效果减弱。同时，金属之间的竞争也改变了其他土壤组分的吸附行为，使得它们对重金属的滞留能力下降。这一现象表明，在实际的采矿环境中，重金属的迁移和滞留行为受到多种因素的共同影响，包括EX的浓度、金属种类以及系统复杂性。

在实际应用中，这一研究结果对于采矿地区的环境管理具有重要意义。由于EX的广泛使用，其残留物可能通过渗滤进入土壤和地下水，从而对生态环境造成污染。而重金属的共存则可能加剧这种污染，因为它们之间的竞争作用会降低EX的吸附能力，进而增加重金属的迁移风险。因此，理解EX在多金属系统中的作用机制，有助于制定更有效的污染防控措施。例如，在采矿废水处理过程中，可以通过调节EX的浓度来优化重金属的去除效率，或者通过增加其他滞留组分的含量来弥补EX作用的减弱。

此外，研究还强调了多组分体系对重金属环境命运的影响。在实际的土壤和地下水环境中，重金属往往不是单独存在的，而是与其他金属共存。这种共存不仅改变了重金属的迁移行为，还可能影响它们的毒性和生物可利用性。例如，在多金属系统中，重金属可能通过形成复杂的络合物或沉淀物，改变其在环境中的形态，从而影响其对生态系统的潜在危害。因此，对多金属系统中重金属迁移与滞留行为的研究，有助于更全面地评估采矿活动对环境的影响，并为制定科学的环境修复策略提供理论依据。

研究团队还指出，当前的实验和模型方法在描述重金属在多组分体系中的行为方面存在一定的局限性。例如，传统的化学萃取方法（如顺序化学萃取，SCE）只能提供操作性定义的组分，而无法区分具体的化学物种。同时，同步辐射XANES光谱的线性组合拟合（LCF）方法虽然能够提供分子级别的归一化信息，但其应用受到高质参考标准和动态迁移研究限制。因此，本研究通过构建MSM模型，提供了一种更为精确和全面的方法，以定量分析重金属在多组分体系中的迁移与滞留行为。

综上所述，本研究通过实验和模型相结合的方法，揭示了EX在不同系统复杂度下的作用机制，以及多金属之间的竞争对重金属迁移与滞留的影响。这些发现不仅加深了我们对重金属在采矿环境中的行为的理解，也为未来的研究和环境管理提供了新的思路和方法。通过进一步优化模型参数和扩大实验范围，可以更准确地预测重金属在不同环境条件下的迁移趋势，从而为污染防控和生态修复提供科学支持。