《Science of The Total Environment》：Removal of arsenic and heavy metals from soil-washing effluents of contaminated mine sites using a novel Fe-assisted electrodeposition approach, amino-functionalized magnetic biochar, and chitosan-based column filtration systems
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环境系统中的砷污染因其毒理学特性引发了广泛关注。本研究针对加拿大西北地区某砷污染矿区中砷含量高达32000 mg/kg的受污染土壤，评估了三种新型处理技术对土壤淋洗产生的高浓度含砷废水的去除效能：铁辅助电沉积、石灰沉淀，以及基于生物炭与壳聚糖柱的吸附工艺。作为
环境系统中的砷污染因其毒理学特性引发了广泛关注。本研究针对加拿大西北地区某砷污染矿区中砷含量高达32000 mg/kg的受污染土壤，评估了三种新型处理技术对土壤淋洗产生的高浓度含砷废水的去除效能：铁辅助电沉积、石灰沉淀，以及基于生物炭与壳聚糖柱的吸附工艺。作为一种首创性方法，铁辅助电沉积技术在10小时内使用硫酸铁实现了废水中99%的砷去除率，同时在阴极上生成了FeAs固体，该产物具有成为高附加值副产品的潜力。同样，投加石灰通过形成砷酸钙沉淀也实现了99%的砷去除率。氨基功能化磁性生物炭对As(III)和As(V)的最大吸附容量分别达到26.74 mg·g?1和11.31 mg·g?1。由磁性生物炭、沸石、活性炭及壳聚糖增强砂滤系统组成的分层过滤柱实现了近完全的砷去除（99%）。柱实验结果表明，该系统不仅能高效去除砷，还能大幅协同去除铅、锌、锑、镉、铀和钴等其他有毒金属，去除率最高可达99%，凸显了所提方法在实际修复场景中的适用性。本研究中采用的组合技术可作为一种新型、生态友好且具有成本效益的解决方案，用于治理采矿环境影响下的土壤淋洗废水中的砷污染。
研究背景与意义
砷污染是全球性的环境挑战，对陆地生态系统和人类健康构成严重威胁。加拿大西北地区的遗留金矿因富含毒砂（砷黄铁矿），导致地表土壤砷浓度极高，部分区域超过34000 mg/kg。土壤淋洗（Soil Washing）虽能有效分离污染物，但会产生成分复杂的含砷淋洗废水，传统处理方法常因离子干扰和高化学药剂需求而受限。为此，研究人员在《Science of The Total Environment》发表研究，旨在开发并评估三种创新的废水处理技术，以解决矿山修复中的二次污染难题。
主要关键技术方法
研究人员采集了加拿大西北地区某砷污染矿区（土壤砷含量约32000 mg/kg）的淋洗废水作为研究对象。研究采用了三种核心技术路径：一是利用石墨阴极和铂钛阳极的电化学反应器，结合硫酸铁进行铁辅助电沉积（Iron-assisted electrodeposition）；二是投加石灰（Ca(OH)2）进行化学沉淀；三是制备氨基功能化磁性生物炭（Amino-functionalized magnetic biochar）并构建包含天然矿物与改性材料的多层过滤柱。此外，研究还利用了电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）和X射线衍射（XRD）等手段对固液样品进行了表征分析。
研究结果
3.1 电解法除砷
研究人员首先对比了不同添加剂对电解效率的影响。结果显示，在测试的多种组合中，仅硫酸铁（Fe2(SO4)3）和石灰能显著降低砷浓度。其中，硫酸铁主要通过电絮凝作用在石墨阴极上实现砷的沉积。
3.2 铁辅助电沉积
将电解时间延长至10小时，铁辅助电沉积实现了99%的砷去除率。研究人员分析了电极反应机理，指出阴极发生的还原反应促进了砷与铁的共沉积，形成了稳定的Fe-As化合物。这种固态沉积物结构紧凑，具有回收价值，区别于传统的松散污泥。
3.3 石灰投加的影响
投加石灰将废水pH从4提升至12，促使砷以砷酸钙（Calcium arsenates）的形式沉淀，去除率同样达到99%。值得注意的是，单纯使用氢氧化钾调节pH无法达到同等效果，证明钙离子在形成不溶性沉淀物及压缩双电层中的关键作用。对比发现，石灰法虽成本低，但产生的碱性污泥体积较大；而电沉积法则利于后续的废物减量化与资源回收。
3.4 电解对有机物种分布的影响
非靶向气相色谱-质谱（GC-MS）分析表明，电解过程不仅去除了无机重金属，还显著改变了废水中有机物的分布。电解后，原水中的主要有机物种发生转化，证明了该技术兼具处理无机与有机复合污染物的双重潜力。
3.5 氨基功能化磁性生物炭除砷
3.5.1 生物炭性质与表征
X射线衍射分析证实，磁性颗粒（如Fe3O4）已成功负载于生物炭基质上。扫描电镜（SEM）显示磁化过程导致生物炭孔隙率从55.87%降至40.47%，但表面反应活性显著增强。
3.5.2 吸附等温线研究
批量吸附实验表明，氨基改性极大提升了生物炭对砷的亲和力。氨基功能化磁性生物炭对As(III)和As(V)的最大吸附容量分别为26.74 mg·g?1和11.31 mg·g?1，优于大多数已报道的传统吸附剂。
3.5.3 生物炭与天然吸附剂柱设计
研究人员设计了一种分层填充柱，包含氨基改性磁性生物炭、二氧化锰（MnO2）、活性氧化铝、沸石等介质。该柱系统在0.5 mL/min的流速下运行，对进水中570 mg·L?1的砷实现了近完全去除，出水中砷浓度降至0.31-0.52 mg·L?1，并对铅、钴、锑、铀等多种重金属表现出优异的协同去除效果。
3.6 利用化学絮凝剂与壳聚糖去除矿山渗滤液中的砷
研究人员测试了壳聚糖（Chitosan）等絮凝剂，并构建了壳聚糖-活性炭-沸石复合柱。该柱系统对砷的去除率达到98%，并能有效截留其他金属污染物，验证了壳聚糖作为一种天然聚合物在重金属去除中的高效性。
3.7 砷/金属去除系统的成本评估与环境意义
成本分析显示，生物炭和天然黏土成本低廉，适合大规模应用。铁辅助电沉积产生的铁砷化合物具有较高的潜在经济价值，可实现“变废为宝”。从环境角度看，形成的稳定Fe-As和Ca-As固体显著降低了砷的迁移性和长期生态风险。
讨论与结论
研究人员得出结论，针对高浓度砷污染矿区淋洗废水，铁辅助电沉积、石灰沉淀以及基于改性生物炭和壳聚糖的柱滤系统均表现出极高的处理效能，砷去除率均可达99%。铁辅助电沉积的优势在于选择性高且能回收有价值的副产物；石灰法操作简单且成本低；吸附柱法则能长效稳定地去除残留污染物及其他共存的金属阳离子。这些技术的组合应用为采矿影响环境下的废水治理提供了一种新颖、环保且经济高效的解决方案。未来的研究应侧重于这些技术的规模化优化与应用。
