铸造粉尘去除砷的特性、吸附机制及其在酸性矿山废水处理中的应用

本研究针对酸性矿山废水(AMD)中砷(As)污染治理难题，创新性利用铸造粉尘(FD)这一工业废弃物作为吸附材料。研究人员系统表征了FD的物化特性(Si/Fe/Ca组成、磁性)，揭示了其对As(III)/As(V)的复合吸附机制(配体交换/表面沉淀/氧化还原)，在pH 3-9范围内实现最大吸附量5.15-9.34 mg/g，并通过实际AMD验证其可将砷浓度降至韩国标准(0.05 mg/L)以下。该研究为工业废弃物资源化与重金属污染治理提供了双重解决方案。

　　

在矿产资源开发过程中，酸性矿山废水(AMD)如同潜伏的生态炸弹，其高浓度砷污染持续威胁着周边水环境。更棘手的是，砷在水中以As(III)和As(V)两种价态存在，前者因电中性难以被常规方法去除。与此同时，金属铸造行业每年产生数百万吨铸造粉尘(FD)，这些富含铁氧化物的废弃物若处置不当，本身就可能成为污染源。如何实现"以废治废"，成为环境科学家们亟待破解的难题。

韩国矿山复原与矿产资源公司的研究团队在《Environmental Research》发表的研究给出了创新答案。他们发现铸造粉尘中丰富的磁铁矿(Fe₃
O₄
)和氧化钙(CaO)组分，使其兼具吸附剂和氧化还原剂的双重功能。通过系统实验证实，这种看似普通的工业废料竟能像"环境清道夫"一样，将剧毒的As(III)转化为易吸附的As(V)，同时通过磁性实现材料循环利用，为解决重金属污染与工业固废处置这对"孪生难题"提供了新思路。

研究采用X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征FD组分，通过批平衡实验测定As吸附动力学，结合X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学变化，并选用实际AMD样本验证处理效果。

Characterization of FD
FD主要含Si(34.1%)、Fe(28.5%)和Ca(12.3%)，其磁铁矿(Fe₃
O₄
)组分赋予材料8.2 emu/g的磁化强度。FTIR检测到1094 cm^-1
处Si-O键和570 cm^-1
处Fe-O键的特征峰，这些活性位点成为砷吸附的"分子锚点"。

Adsorption performance
在pH 3-9范围内，FD对As(V)的吸附量达9.34 mg/g，是As(III)的1.8倍。特别值得注意的是，随着pH升高，As(III)去除率显著提升，这源于碱性条件下FD表面生成的羟基自由基(•OH)促进了As(III)氧化。

Removal mechanisms
XPS分析揭示了FD的"变色龙"特性：在As(III)存在时，材料中的Fe(II)被氧化为Fe(III)，自身作为电子受体；面对As(V)时则转变为电子供体。这种动态氧化还原能力，配合表面CaCO₃
的共沉淀作用，构成了多维除砷机制。

Practical application
处理实际AMD样本时，FD在30分钟内将砷浓度从1.2 mg/L降至0.04 mg/L，低于韩国饮用水标准。磁分离后FD可重复使用3次仍保持80%以上效率，其处理成本仅为商用吸附剂的1/5。

这项研究突破了传统吸附材料的局限性，首次系统阐明了FD通过复合机制(吸附-氧化-沉淀)去除砷的分子过程。其重要意义在于：一方面实现了"废料-材料-资源"的转化闭环，另一方面为AMD治理提供了经济高效的新方案。特别是FD的磁性特征，使得处理系统可模块化部署于偏远矿区。研究人员特别指出，FD中CaO含量需严格控制，避免二次碱污染，这为工业废弃物在环境修复中的精准应用提供了重要参考。