无溶剂球磨活化硫在地下水模拟体系中的溶解行为及环境应用研究

为解决火山硫在环境中的溶解行为及其对地下水系统的影响问题，研究人员通过溶剂自由球磨技术系统研究了硫的相变规律与溶解特性。研究发现，500 rpm球磨速度下硫可完全转变为单斜晶β相(S-β)，在水中的溶解度达807 ppm，显著高于酸性介质(18.6 ppm)。通过XRD、SEM、FT-IR等表征技术揭示了机械活化硫的自光催化特性，其对甲基橙(MO)染料的降解效率达9.1%，为开发新型环境修复材料提供了理论基础。

　　

火山活动释放的硫元素在地下水系统中的行为一直是环境科学领域的重大课题。位于科摩罗群岛的卡尔塔拉火山定期喷发，其硫沉积物通过水文循环进入周边居民区的水源系统，造成显著的生态健康风险。传统研究多关注高浓度硫的毒性效应，而对机械活化后硫在环境中的相变规律、溶解特性及其应用潜力缺乏系统认知。

针对这一科学空白，科摩罗大学（University of Comoros）的研究团队创新性地采用无溶剂球磨技术，首次揭示了机械能诱导的硫相变机制及其环境行为。研究发现，通过调控球磨速度可实现硫晶体从正交晶α相(S-α)向单斜晶β相(S-β)的可控转变，这一发现为理解硫的环境地球化学循环提供了新视角。相关成果发表在《Watershed Ecology and the Environment》上，为开发基于硫材料的环境修复技术奠定了理论基础。

研究采用行星式球磨机(Pulverisette-7)进行机械活化，结合X射线衍射(XRD)分析晶体结构演变，通过扫描电镜(SEM)观察形貌变化，利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)解析表面化学特性，并建立甲基橙(MO)降解体系评价光催化性能。所有实验均采用卡尔塔拉火山2055米海拔处采集的天然硫样本(硫含量86.04%)。

相变机制与溶解特性
XRD分析显示，球磨速度达到500 rpm时，硫完成从S-α到S-β的完全转变(JCPDS No. 48-0247)，伴随总溶解固体(TDS)从400 ppm提升至807 ppm。值得注意的是，酸性介质中溶解度仅为18.6 ppm，揭示溶剂化学性质的关键影响。

环境参数响应
pH值随球磨速度呈非线性变化，从初始1.8升至500 rpm时的5.6。电导率显著增加至759.78 μS/cm，反映硫磺酸(H₂SO₃)离解产生的离子迁移增强。温度升高至30.6°C进一步促进溶解动力学。

微观结构演变
SEM证实300 rpm球磨使硫颗粒纳米化(200 nm)，500 rpm时形成海绵状多孔结构。EDS显示表面存在铁(Fe)、钛(Ti)等微量元素(Fe 0.17%，Ti 2.33%)，这些杂质作为电子陷阱提升了光催化活性。

环境应用性能
在可见光(λ≥420 nm)照射下，活化硫对MO的降解率达9.1%。FT-IR证实球磨后1630 cm^-1处透射率降低至77.56%，表明形成了具有光响应的硫-氧复合物。

该研究系统阐明了机械活化硫的"结构-性能-环境行为"关系，突破性地证明：

1. 机械能可定向调控硫晶相，500 rpm为最优活化参数；
2. 水介质中硫溶解度为酸性介质的43倍，解释火山硫在地下水系统的迁移规律；
3. 非复合硫具有本征光催化活性，为开发无重金属光催化剂提供新思路。

这些发现不仅深化对硫环境地球化学行为的理解，更开辟了机械化学在环境修复领域的新应用。特别是提出的"球磨-相变-功能化"技术路径，为处理染料废水等顽固污染物提供了经济高效的解决方案。后续研究可进一步探索硫基材料与半导体(如TiO₂)的协同效应，以及在实际水体修复中的工程化应用。