低成本镧系元素固定砷技术：环境稳定性与生物可给性研究

本研究针对砷污染治理难题，创新性地评估了镧/铈砷酸盐沉淀法对砷的固定效果。通过TCLP/SPLP浸出性测试和IVBA生物可给性分析，发现煅烧处理可显著提升材料稳定性，其中铈砷酸盐经洗涤后生物可给性降低100倍（0.1% As IVBA）。研究提出了基于稳定性的砷处理三级分类体系，并证实镧系固砷法较传统铁盐法可降低10倍成本，为工业废水除砷提供了新思路。

　　

砷污染是全球性的环境和公共卫生挑战，数百万人口通过饮用水、土壤和食物链暴露于砷污染环境中。采矿活动、自然地质源和工业过程导致砷浓度升高，而砷的高毒性及其在环境条件变化下的迁移性，使得开发高效稳定的砷固定化技术至关重要。目前常用的铁基沉淀法（如铁氧氢氧化物吸附和臭葱石沉淀）虽广泛应用，但存在稳定性受pH值影响、结晶条件苛刻等问题，且传统毒性浸出程序（TCLP）的适用性存在争议。

在这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究中，澳大利亚昆士兰大学的研究团队Vitor L. Gontijo等人系统评估了低成本镧系元素（镧和铈）固定砷技术的环境行为。研究首次对合成镧系砷酸盐进行了浸出稳定性和生物可给性综合评价，为砷污染治理提供了新的技术路径。

研究采用的关键技术方法包括：标准化环境测试程序（TCLP和SPLP）评估砷迁移性；体外胃肠生物可给性（IVBA）测试模拟人体消化过程；X射线衍射（XRD）和比表面积（SSA）分析材料结构特征；并通过成本效益分析比较镧系法与铁基法的经济性。所有实验均采用三重平行设计，并使用NIST标准参考物质进行质量控制。

3.1. 镧系砷酸盐表征

通过XRD和SSA分析发现，水合物相具有高比表面积（LaAsO₄·H₂O为99.5 m²·g^-1），而煅烧后无水相SSA降低约1000倍。XPS检测到煅烧过程中形成的可溶性副产物Na₃AsO₄，这解释了初次浸出时的高砷释放。

3.2. TCLP和SPLP结果

浸出测试表明，水合物相的砷浸出量显著高于无水相。LaAsO₄·H₂O的TCLP浸出量（33.1 mg·L^-1）约为CeAsO₄·1.1H₂O（16.6 mg·L^-1）的两倍。SPLP条件下砷浸出量较低，且铈砷酸盐表现更优。研究首次提出砷固定化方法的三级分类体系：第1类（天然土壤/砷硫化物）浸出率>10-20%；第2类（吸附材料）浸出率0.5-20%；第3类（高纯度砷酸盐沉淀）浸出率<0.5%。

3.3. 浸出残渣表征

XRD和光谱分析证实浸出后材料晶体结构未发生改变，但水合物相表面出现反应痕迹，而无水相形态保持稳定。

3.4. 体外砷生物可给性

IVBA测试显示，煅烧和洗涤处理显著降低生物可给性。铈砷酸盐经洗涤后生物可给性降至0.1%，优于多数铁砷酸盐。相比之下，钙、铅等金属砷酸盐的生物可给性高达60-104%。

3.5. 比较与局限性

研究指出标准浸出程序在转速、温度、微生物作用等方面存在局限性，建议根据废物特性定制测试条件。成本分析表明，镧系法因操作条件温和（环境温度、35分钟反应）、试剂利用率高，可较臭葱石法降低10倍成本。特别是Ce(IV)兼具氧化和沉淀双重功能，可简化处理流程。

研究结论强调，虽然镧系砷酸盐在标准浸出测试中显示为危险废物，但其实际环境稳定性可能被低估。通过优化处理工艺（如煅烧和洗涤），可显著提升材料性能。铈砷酸盐表现尤为突出，其低生物可给性和成本优势使其成为有前景的砷固定化材料。该研究为开发更经济高效的砷污染治理技术提供了重要理论依据和实践指导，对矿业、冶金业废水处理具有重要应用价值。