Fe(II)诱导施氏矿相变对U(VI)迁移的调控机制及其在酸性矿山废水环境中的地球化学行为

本研究针对酸性矿山废水(AMD)中铀(U(VI))的迁移控制难题，通过模拟厌氧环境探究Fe2+ 诱导施氏矿(Sch)相变过程中U(VI)的再分配行为。发现Fe2+ 通过竞争吸附、还原溶解和再沉淀三重机制调控U(VI)固定，pH通过增强Fe2+ 络合物活性进一步促进U(VI)还原，为AMD铀污染治理提供理论依据。

　　

铀作为战略核能资源，其开采过程中产生的酸性矿山废水(AMD)已成为重大环境隐患。这类废水不仅pH低至2-5，还富含铁(0.84-6.82 mmol/L)和硫酸盐(0.18-26.04 mmol/L)，更令人担忧的是铀浓度可达16.3 mg/L——远超饮用水安全标准(0.03 mg/L)的500倍。在这种极端环境中，施氏矿(Schwertmannite, Sch)作为AMD的标志性次生矿物，虽能通过吸附暂时固定铀，但其在Fe²⁺
作用下的相变行为可能彻底改变铀的命运。然而，这种"矿物相变-铀迁移"的耦合机制始终是未解之谜。

中国某科研团队在《Applied Geochemistry》发表的研究，首次系统揭示了Fe²⁺
-pH协同调控Sch相变影响U(VI)迁移的分子机制。研究人员采用吸附动力学实验结合XPS、XRD等表征技术，构建了模拟AMD体系，通过控制Fe²⁺
浓度(0-10 mmol/L)和pH梯度(2-5)，追踪了Sch向纤铁矿/针铁矿转化过程中U(VI)的再分配规律。

材料与方法
研究分为吸附、解吸和酸提取三阶段：1)采用批次实验研究U(VI)在Sch上的吸附动力学；2)用预吸附铀的Sch(U_ad
-Sch)进行解吸实验；3)通过盐酸提取评估铀固定强度。采用Elovich方程拟合动力学数据，结合XPS分析铀价态变化，XRD追踪矿物相变路径。

吸附动力学与等温线
Elovich模型(R²

0.85)揭示U(VI)吸附以化学吸附为主导。pH 3时铀主要以外层络合物形式吸附，随pH升高逐渐形成内层络合物。当pH从2升至5时，吸附量提升3.8倍，这与UO₂
²⁺
向UO₂
OH⁺
转化增强表面络合有关。

Fe²⁺
诱导的相变与铀固定
突破性发现Fe²⁺
具有"双刃剑"效应：低浓度(1 mmol/L)时通过电子转移激活吸附态铀，但高浓度(5 mmol/L)反而促进铀固定——盐酸提取率从85%骤降至35%。XPS证实该现象源于Fe²⁺
的三重作用：①竞争吸附位点；②将U(VI)还原为更难溶的U(IV)；③引发Sch溶解-再沉淀将铀包裹在新相中。

pH的协同增强效应
pH通过三个途径放大Fe²⁺
效应：①增强Fe²⁺
吸附量( pH5时吸附量是pH3的2.3倍)；②促进表面Fe²⁺
-OH络合物形成，提升电子传递效率；③加速SO₄
^2?
被OH^?
取代的结构重组。这种协同作用使pH5体系铀还原效率达pH3的4.6倍。

结论与意义
该研究建立了"Fe²⁺
-pH-Sch相变-U(VI)迁移"的定量关系模型，揭示：1) Fe²⁺
浓度阈值(1 vs 5 mmol/L)决定铀活化或固定；2) pH通过调控表面络合物化学增强Fe²⁺
还原效能；3) Sch相变产物决定铀最终归宿。这不仅解释了AMD中铀的异常富集现象，更为设计"矿物相变-铀固定"靶向修复技术提供了精确调控参数——通过控制Fe²⁺
/pH比值可定向诱导Sch转化为特定次生矿物，实现铀的永久封存。