[发明专利]一种水热合成砷钠明矾石混晶固溶体的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种水热合成砷钠明矾石混晶固溶体的方法及其应用。利用砷酸根与硫酸根的异价类质同象取代合成砷钠明矾石混晶固溶体，并应用到工业污水和矿山废水中含砷污染的治理，实现砷在环境中长期稳定化堆存。主要利用无水硫酸钠和十八水合硫酸铝配制基础液，制得Na/Al摩尔比为1:3的钠明矾石前驱体，然后加入不同摩尔浓度的砷酸溶液，采用砷酸根和硫酸根的异价类质同象取代合成结晶度高、稳定性好的砷钠明矾石混晶固溶体。该方法制备的砷钠明矾石系列固溶体相较于传统水热合成固砷方法具有材料制备易于操控，经济成本低，能实现砷在环境中长期稳定化堆存等优点。

技术领域

本发明属于材料安全领域，特别涉及一种水热合成砷钠明矾石混晶固溶体的方法及其应用。该方法利用砷酸根和硫酸根之间的异价类质同象取代合成砷钠明矾石系列混晶固溶体。

背景技术

砷为类金属，属亲硫元素，有很强的毒性和致癌性。砷及其化合物广泛分布于自然界中，在地壳中的丰度为1.7~1.8 mg/kg，主要存在于沉积岩中。自然界中的含砷矿物绝大多数为砷硫化合物，其一些混杂在金、银、铜、铁、铅、锌等有色金属矿中。随着工业化水平的提高，矿山开采，金属冶炼和有色金属加工等工业化水平提升，燃煤需求的增加，以及含砷颜料，原药和纸张的普遍使用，会生成大量的含砷废水，废渣和废气。如果这些含砷污染处置不妥当，会造成严重的环境污染。

目前，化学沉淀法因处理砷污染技术成熟且经济成本较低而被广泛使用，其利用钙盐，铁盐等作为沉淀剂与含砷污染物共沉淀形成难容的砷酸盐化合物，达到固化砷的目的。但大量的研究表明采用钙砷，铁砷共沉淀形成的复杂砷酸盐化合物易受温度，pH甚至空气中二氧化碳的影响，无法长期在环境中堆存。其中砷酸钙盐会与空气中的二氧化碳接触导致去沉淀化而使得砷释放再次回到环境中，砷酸铁盐易受到温度和pH的影响，砷浸出浓度为0.5~82.8 mg/L不等。采用钙盐和铁盐与砷污染共沉淀形成的复杂砷酸盐不能再环境中长期堆存，存在严重的安全隐患，因此探究能稳定固砷的沉淀剂是解决砷二次污染的关键所在。

明矾石族群是硫酸盐矿物，在自然界中普遍存在，通式为AB₃(ZO₄)₂(OH,H₂O)₆。其中A位可以为Na,K,H₃O等一价元素，也可以是Ca,Ba,Pb,Bi等二价元素；B位主要是Al和Fe(Ⅲ)；ZO₄主要是SO₄^2-,AsO₄^3-和PO₄^3-等。明矾石族群中的不同点位可以发生同价或异价类质同象取代生成不同种类的明矾石矿物，已有研究表明生成的明矾石矿物在不同的环境条件下都能稳定存在，说明其具有长期堆存有毒金属的巨大潜能。本发明提供一种以钠明矾石[NaAl(SO₄)₂(OH)₆]为基础液，利用砷酸根和硫酸根之间的异价类质同象取代，采用水热合成砷钠明矾石系列混晶固溶体的方法，并实现砷在环境中长期稳定化堆存。

发明内容

本发明的目的是提供一种水热合成砷钠明矾石混晶固溶体的方法及其应用。

本发明方法的思路：利用无水硫酸钠和十八水合硫酸铝配制基础液，制得Na/Al摩尔比为1:3的钠明矾石前驱体，然后加入砷酸溶液，采用砷酸根和硫酸根的异价类质同象取代合成结晶度高、稳定性好的砷钠明矾石混晶固溶体。

具体步骤为：

(1) 配制1.8 mol/L硫酸钠溶液，5.4 mol/L硫酸铝溶液，1 mol/L砷酸溶液备用，其中砷酸由分析纯五氧化二砷配制。

(2) 于容器中按Na/Al摩尔比为1:3加入步骤(1)配制的硫酸钠溶液和硫酸铝溶液，搅拌25~35 min，制得钠明矾石基础液。