钒(V)是一种潜在有毒的元素,有金属“维生素”之称,普遍应用于机械、汽车、造船、电子技术、铁路、航空等行业,全钒液流电池中电解质溶液,制硫酸和硫化橡胶的催化剂,陶瓷着色剂和显影剂等。因为人们的自然活动以及钒化合物的普遍使用,环境中钒的污染愈来愈严重,中国《重金属污染综合防治规划》,已经把钒作为14(5+9)种被重点防控的重金属之一。由于钒是中国的优势资源之一,全球过半数的钒都是由中国提供的,在矿区钒污染事件的发生越来越多。造成钒污染除了人为活动排放的废水、废气和废渣,钒矿石的敞天堆放、废石经过雨水或者是矿区中排水冲洗是钒溶解释放的主要途径。已有的研究主要是钒的环境化学、形态分布、生物有效性以及钒矿中钒的提取和测定,有关于钒矿物本身的溶解、风化及其钒的地球环境化学循环的研究很少,钒矿物的溶解作为钒地球化学循环的首步,目前,钒的溶解释放动力学和机理仍然十分不清楚。本论文主要是针对我国钒资源丰富、消耗量大和钒的潜在危害性,在已经研究的基础上,初步地开展了典型的含钒矿物(石煤钒矿,钒钛磁铁矿)和钒的氧化物(V2O5,VO2,V2O3)中钒的溶解释放动力学特征和和主要影响因素的研究,揭示了含钒矿物溶解释放机理,探讨化学过程对钒释放的影响。不但可以利于我们更深入地了解钒的地球化学循环,还能为水体中钒污染的预防和控制提供强有力地理论支持。实验中研究结果如下:1、钒氧化物(III,IV和V)的溶解释放在pH值3.1-10.0的条件下,做批量实验研讨钒的主要氧化物(III,IV和V)的溶解速率定。实验中发现,钒的溶解释放与溶液中的pH值有密切的关系,并且清晰地观察到溶液中V2O5和钒氧化物(III,IV)的溶解释放行为。在第一个2 h,V2O3的溶解速率是r=1.14·([H+])0.269(pH 3.0-6.0)和r=0.016·([H+])-0.048(pH 6.0-10.0);VO2的溶解速率是r=0.362·([H+])0.129(pH 3.0-6.0)和r=0.017·([H+])-0.097(pH 6.0-10.0);V2O5在溶液pH3.1-10.0的溶解速率是r=0.131·([H+])-0.104。钒的三种氧化物的等电点pH PZC大约是2或者更小。钒的氧化物的释放率随着温度的增加而增加,在不同的pH(3.8,6.0和7.7)下,温度对其溶解速率的影响各不相同,实验测得钒的三种氧化物的激活能是33.4-87.5kJ·mol-1,表明钒氧化物的释放是解散表面控制反应机制。钒的释放速率随着钒氧化物的剂量增加而增加,虽然不成比例。这作为更大量的钒的释放行为研究,有助于阐明钒的污染问题和环境中钒的迁移转化。2、有机质作用下,石煤中钒的溶解释放动力学在自然环境状态下,低分子溶解性有机质(LMWDOMs)对钒矿物中钒的溶解释放的影响是目前广泛研究的一个热点。实验中做了八种典型的含有羧基、羟基和氨基的天然低分子溶解性有机质:柠檬酸、草酸、EDTA、水杨酸、邻苯二酚、甘氨酸、半胱氨酸和葡萄糖。在全恒温培养箱中保持室温(25℃)下,实验中每种LMWDOMs分别在pH4.0、6.0和8.0的缓冲溶液中进行。结果表明,在酸性和碱性溶液中,含羧基的低分子溶解性有机质对钒的释放作用比较大。在pH 4.0时,柠檬酸、草酸和EDTA溶液中,钒最开始的释放速率大约是空白对照实验的25-39倍;溶解平衡时的释放速率分别是对照实验的164、95和49倍;邻苯二酚存在的情况下,pH 8.0溶液中的释放率约是pH 4.0的20倍;氨基酸和醇类对钒的释放影响比较小。此外,利用衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)和电子顺磁共振技术(EPR)对于低分子溶解性有机质对金属离子钒释放机制的特征进行了分析。本章实验的研究有助于理解一些矿山地区钒的污染风险和环境中钒的迁移转化过程。3、钒钛磁铁矿的溶解释放动力学实验的设计是在混合蠕动泵反应器中,V的释放行为在很大程度上受pH值、温度、溶解氧和离子的影响。V的释放速率方程式是基于酸性和碱性条件下来探讨钒钛磁铁矿反应速率定律。实验中得出,钒的反应速率与部分氢离子和溶解氧活度成正比,溶解氧对钒钛磁铁矿表面中钒的溶解可以用朗格缪尔定律来解释,这种现象也对解释钒的溶解饱和度有很大的优势;同样地,碱性条件下研究钒溶解的饱和度需要更高的氧分压。反应温度是影响V释放的另一个重要因素,酸性溶液和碱性溶液中,矿物表面的激活能量对矿物的溶解机制有一定的控制作用;实验还发现铁离子促进了钒的释放。此外,矿物中钒在溶液中的溶解浓度远远小于V2O5理论溶解度,这是归因于钒矿物样本共存组分对钒的吸附和沉淀作用。