《Journal of Hazardous Materials》：Geochemical Controls on the Fate and Mobility of Coal Combustion Product-Derived Elements in a Dolomitic Aquifer
编辑推荐：
•B和Mo是该白云岩含水层中两种主要的CCP衍生地下水危害元素。•顺序提取法和SEM-EDS揭示了碳酸盐控制的As衰减。•Cr通过稳定固体的沉淀/共沉淀作用得到衰减。•Cd、Cu、Ni主要来源于地质成因，且在羽流中未富集。引言燃煤电厂中煤炭的燃烧会产生在锅炉中无法完全燃烧的物
- •
B和Mo是该白云岩含水层中两种主要的CCP衍生地下水危害元素。
- •
顺序提取法和SEM-EDS揭示了碳酸盐控制的As衰减。
- •
Cr通过稳定固体的沉淀/共沉淀作用得到衰减。
- •
Cd、Cu、Ni主要来源于地质成因，且在羽流中未富集。
引言
燃煤电厂中煤炭的燃烧会产生在锅炉中无法完全燃烧的物质和矿物，包括粉煤灰、炉底灰和锅炉渣。这些物质连同烟气脱硫过程中产生的烟气脱硫固体产物，统称为燃煤燃烧产物（CCPs）。CCPs要么被有益地再利用，要么被处置在垃圾填埋场或地表蓄水池中[1]、[2]、[3]。一般而言，CCPs相对于原始煤源可能富含As、Cr、Ni、Mo、Cd、Hg、Se、Cu及其他元素（EPRI, 1986; [2]、[3]、[4]、[5]）。与CCPs接触的水可能产生CCP浸出液，而浸出液的组成取决于多种因素，包括煤源、水文条件、场地地球化学和矿物学特性以及场地管理策略。在某些条件下，处置场地的CCP浸出液可能与含水层物质相互作用并与地下水混合，导致某些元素浓度升高[5]、[6]、[7]。
了解控制地下水含水层中元素命运和迁移性的场地特异性环境因素（如pH、氧化还原电位、竞争离子、含水层矿物学）以及地球化学/生物地球化学过程（如吸附、沉淀/共沉淀、生物矿化）对于表征相关风险并制定适当的修复方案至关重要（[8]、[9]；EPRI, 2024；[10]）。例如，pH通常控制矿物表面电荷，因此大多数阳离子形态（即Ni、Cd、Cu）在酸性条件下吸附量降低，而含氧酸根离子（即As、B、Mo）在碱性pH条件下吸附量通常降低[9]、[11]。氧化还原条件对元素迁移性也起着重要作用，特别是对于能以多种氧化态存在的元素[12]。例如，在氧化条件下，As主要以砷酸根（As(V)）含氧酸根离子形式存在，通常强烈吸附于带正电荷的矿物表面。相反，在还原条件下，As通常以中性的亚砷酸盐（As(III)）形态存在，吸附亲和力较低，因此在地下水中表现出更大的迁移性。Smedley, Kinniburgh [13]。竞争离子（碳酸盐、磷酸盐）可能通过竞争吸附位点或形成水合络合物来影响迁移性（[14]；EPRI, 2006；[15]、[16]）。含水层介质的矿物组成也非常关键，因为不同矿物相具有不同的吸附容量和表面反应活性，控制着固相分配（EPRI, 2021；EPRI, 2024；[9]）。特别是，铁氧化物-氢氧化物（如针铁矿、纤铁矿）是自然环境中含量最丰富的矿物之一，具有非常大的比表面积，可在不同pH水平下为阳离子和阴离子物种创造反应性结合位点[9]。虽然铁氧化物/氢氧化物是酸性至近中性条件下砷酸根和钼酸根等含氧酸根离子的优良吸附剂，但随着pH>7时其表面逐渐带负电荷，吸附能力显著降低[15]、[17]、[18]、[19]。相比之下，碳酸盐矿物如方解石（CaCO?）和白云石（CaMg(CO?)?），是碳酸盐含水层中最丰富且最稳定的矿物相，可以通过吸附、表面络合和共沉淀机制作为这些元素的重要吸附剂，从而衰减其浓度[16]、[20]、[21]、[22]、[23]。因此，在理解控制元素命运和迁移性的这些原理时，必须具体考虑不同含水层系统的背景。
碳酸盐含水层具有独特的地球化学特性和广泛的饮用水源用途，为研究CCP衍生元素的行为提供了一个独特且重要的环境[24]、[25]。碳酸盐含水层具有复杂的反应性传输环境，具有高pH缓冲能力、反应性碳酸盐矿物表面以及通过裂隙基岩变化的地下水速度，这些可能通过不同于粒状或多孔含水层的机制显著影响元素迁移性[12]、[13]、[16]、[17]、[21]、[26]、[27]、[28]。大多数关于CCP影响场地的先前研究集中在硅屑质含水层上，其中铁氧化物被认为是主要的衰减途径，使得碳酸盐含水层中CCP衍生元素的行为相比之下了解不足[2]、[4]。尽管专注于碳酸盐含水层中CCP衍生元素行为的研究有限，但近年来的一些研究提供了关于可能影响元素迁移性的特定机制的一些重要见解。例如，Pichler和Mozaffari [29]报道，Mo松散地结合在矿物和有机物表面上，因此很容易从石灰岩含水层基质中动员出来。相比之下，As的迁移性较低，因为As要么被含水铁氧化物紧密吸附，要么作为共沉淀杂质存在于Fe硫化物（如黄铁矿）中[8]。这些研究表明，碳酸盐含水层中元素的特定行为可能与硅屑质系统中观察到的行为显著不同。因此，了解这些控制因素对于准确评估风险并为覆盖碳酸盐含水层的CCP处置场地制定有效的管理策略至关重要。
本研究旨在通过整合机理性、模型模拟和实测数据，增进我们对控制CCPs中元素淋滤进入碳酸盐含水层系统命运和迁移性的机制的理解。本研究通过研究白云岩含水层的矿物学和地球化学条件如何控制七种元素（As、B、Cd、Cr、Cu、Mo和Ni）的命运和迁移性，填补了知识空白。选择这些元素是因为它们具有法规重要性，并代表了不同的水溶液行为，包括形成含氧酸根的要素（As、Cr、Mo和B）和二价金属阳离子（Cd、Cu和Ni）。本研究的主要目标是：(1)调查在该场地底部白云岩含水层中CCP衍生元素的迁移与不迁移情况；(2)评估含水层矿物学和地下水化学如何影响这些元素的迁移性和不迁移性；以及(3)将元素迁移性的经验观测与元素形态和矿物饱和指数的地球化学模型进行比较，以协调碳酸盐含水层中元素的观测行为和预测行为。
章节摘要
场地描述
本研究在美国东南部的一个CCP处置场进行。该场地的地形特征为紧邻河流的平坦河谷，海拔从约395到530英尺不等。该地区的地质构造属于库萨变形带，是大山谷-山脊省的构造复杂区域。当地处置池附近的浅部基岩完全由诺克斯组的白云石组成。该场地
地下水化学
地下水化学在场地监测井中表现出显著的主要离子和微量元素浓度变化，反映了CCP浸出液的影响以及裂隙白云岩含水层的非均质性（表2）。现场测量pH从背景井MW-7的弱酸性（6.4）到MW-1井的明显碱性（9.2）不等，其余所有井均呈碱性条件（pH > 7.7）。氧化还原条件（Eh）在0.0074 V至0.41 V之间变化，且
讨论
场地观测到的元素迁移模式可以通过整合地球化学控制因素进行机理性解释，包括pH、氧化还原电位、地下水化学、固相分配（全量消解和顺序提取）、SEM-EDS观测以及地球化学建模。控制监测井中元素命运和迁移性的地球化学因素包括：i) 该场地白云岩含水层的碱性pH（7.7-9.2），这限制了含氧酸根离子对铁氧化物的吸附[11]
结论
本研究为CCP影响的白云岩含水层中七种元素的地球化学和矿物学控制因素提供了重要见解。研究发现，羽流内的地下水化学与CCP浸出液影响一致，表现为Ca-Mg-SO4型水，硫酸盐浓度升高至460-635 mg/L。硼和钼是最具迁移性的CCP衍生元素，在羽流中超过美国EPA地下饮用水标准。其迁移性由弱/无
环境意义
CCPs是全球最大的工业废物流之一，释放出各种有害元素，这些元素可能淋滤进入地下水。碳酸盐含水层在全球范围内作为主要饮用水源，且可能位于CCP处置池下方，但CCP衍生元素在这些系统中的命运知之甚少。本研究确定了碳酸盐矿物作为As固定的潜在控制因素，并揭示B和Mo是碳酸盐含水层中主要的CCP衍生地下水危害。这
CRediT作者贡献声明
Ann S Ojeda：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。Ming-Kuo Lee：写作——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。Shifat J Monami：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、方法论、调查、形式化分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的经济利益/个人关系：Ann S Ojeda、Ming-Kuo Lee报告获得电力研究学院（Electric Power Research Institute Inc.）的财政支持。如有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文所报告的工作。
致谢
作者衷心感谢奥本大学的Raphael Gottardi博士和M. Zeki Billor博士在SEM-EDS和ICP-MS分析方面提供的宝贵专业知识和帮助。本研究由电力研究学院（EPRI）资助，项目编号：1-106223-01-01。
环境意义声明
燃煤燃烧产物（CCPs）是全球最大的工业废物流之一，释放出各种有害元素，这些元素可能淋滤进入地下水。碳酸盐含水层作为
Shifat J Monami|Ann S Ojeda|Ming-Kuo Lee
