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本研究由Shuai Wang、Peng Liao、Ling Cen、Hongguang Cheng和Qingyou Liu共同完成。研究机构包括中国科学院地球化学研究所高温高压地球内部研究重点实验室和中国科学院大学。该研究于2023年5月24日发表在《Environmental Science & Technology》期刊上。
砷（As）是一种有毒的微量元素，长期暴露会导致人类患癌症和血液疾病。砷的生物可利用性、迁移性和毒性与它的化学形态密切相关，尤其是三价砷的毒性是五价砷的60倍。地下水和土壤中砷的污染已成为全球性环境问题，威胁着数百万人的健康。含砷硫化物矿物（如砷黄铁矿）和富砷铁（氧氢）氧化物是环境中砷污染的主要来源，它们通过矿物的氧化风化或人为释放进入环境。砷黄铁矿是最常见的含砷硫化物矿物，其氧化动力学过程显著影响砷的地球化学行为。
生物炭（biochar）是一种在缺氧条件下热解生物质产生的富碳材料，广泛用作土壤改良剂，能够提高土壤肥力、保水性和调节土壤pH。由于其广泛的应用，生物炭在自然界中普遍存在，并参与多种地球化学过程。研究表明，生物炭是一种具有氧化还原活性的物质，由于其富含芳香族和醌类官能团，能够作为电子供体或受体，促进或抑制非生物和生物反应。此外，生物炭能够吸附或络合Fe(III)/Fe(II)，从而促进铁（氧氢）氧化物的还原溶解，增强砷的释放和迁移。
本研究旨在探讨生物炭对模拟碱性土壤溶液中砷黄铁矿氧化过程的影响，以及砷和铁物种的命运和转化。通过结合电化学技术、浸泡实验和固体表征，揭示了生物炭在砷黄铁矿氧化过程中的关键作用。
矿物样品准备
研究使用的砷黄铁矿样品来自中国广西卡林型金矿床。通过X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）确认样品的纯度和主要成分。将砷黄铁矿粉末研磨至200目，并在氮气气氛中干燥后密封保存，以尽量减少氧化。
生物炭和模拟碱性土壤溶液制备
生物炭通过热解小麦秸秆制备，热解温度为550°C，加热速率为20°C/min，保温时间为1小时。模拟碱性土壤溶液（SAS）根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2008）中的草地土壤和盐渍土壤的理化性质制备，pH分别调整为7.4和8.6。
电化学实验
使用三电极体系进行电化学实验，包括砷黄铁矿电极作为工作电极、铂辅助电极和饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。电化学技术包括循环伏安法（CV）、极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），用于研究砷黄铁矿在模拟碱性土壤溶液中的风化过程。
浸泡实验
浸泡实验分为粉末浸泡和块状浸泡两种形式。粉末浸泡实验研究了不同温度和生物炭浓度对砷黄铁矿风化的影响，块状浸泡实验则用于探测矿物表面形态的变化。此外，还进行了单独的浸泡实验，验证生物炭对Fe(III)和As(V)的吸附和还原作用。
表征分析
通过X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）和扫描电子显微镜（SEM）对浸泡后的砷黄铁矿和生物炭进行表征，分析其表面结构和化学成分的变化。
电化学分析
循环伏安法（CV）结果表明，升高温度和增加生物炭浓度加速了砷黄铁矿的氧化。极化曲线显示，生物炭显著降低了砷黄铁矿的腐蚀电位（Ecorr）并增加了腐蚀电流密度（Icorr），表明生物炭促进了砷黄铁矿的氧化溶解。电化学阻抗谱（EIS）进一步证实，生物炭降低了双电层中的电荷转移电阻，从而减少了活化能（Ea）和活化焓（ΔH*）。
浸泡实验结果
浸泡实验表明，生物炭显著促进了砷黄铁矿的氧化溶解，并增加了砷的释放。生物炭能够吸附Fe(III)并将其还原为Fe(II)，从而抑制了铁砷酸盐和铁（氧氢）氧化物钝化膜的形成，进一步加速了砷黄铁矿的风化。
表征分析结果
XPS、FTIR和SEM分析表明，生物炭与Fe(III)和As(V)发生相互作用，形成了生物炭-Fe-As络合物。生物炭的存在减少了溶液中Fe(III)的含量，从而阻碍了钝化膜的形成，促进了砷黄铁矿的氧化溶解。
本研究揭示了生物炭在砷黄铁矿氧化过程中的关键作用。生物炭通过还原Fe(III)和吸附Fe离子，抑制了钝化膜的形成，从而加速了砷黄铁矿的氧化溶解和砷的释放。这一发现扩展了我们对生物炭在砷迁移和转化中作用的认识，并为解决类似环境问题提供了新的电化学技术参考。
重要发现
生物炭显著加速了砷黄铁矿的氧化溶解，增加了砷的释放，加剧了土壤和水体中的砷污染。
方法创新
本研究结合了电化学技术、浸泡实验和多种表征手段，系统研究了生物炭对砷黄铁矿氧化过程的影响，为类似环境问题的研究提供了新的方法参考。
研究对象的特殊性
本研究聚焦于生物炭在碱性土壤中对砷黄铁矿氧化的影响，填补了该领域的研究空白。
本研究还探讨了生物炭在不同土壤类型中的效果，发现盐渍土壤中的砷黄铁矿风化速率高于草地土壤，这可能与盐渍土壤中较高的Cl-浓度有关。此外，研究还计算了不同生物炭浓度下砷的释放量，为实际应用中的风险评估提供了定量依据。