有机固废中碳、磷、硫及重金属等元素赋存形态是决定其环境行为、反应活性及资源化再利用的关键因素。同步辐射光谱技术可以在分子水平、微纳米尺度原位表征碳、磷、硫、重金属等元素赋存形态、结合位点、微观结构，为深入阐明有机固废环境行为、反应机制提供直接的证据。文章概述了X射线吸收光谱、微束X射线荧光光谱等同步辐射光谱技术在有机固废污染控制与资源化研究的中应用进展，并对同步辐射光谱技术在该领域应用前景和发展趋势进行了展望。

内容导读

有机固废含有丰富的碳、氮、磷及钾、钙、铁、锌等植物生长所需要的营养元素，具有巨大的资源化利用潜力;但其所含的重金属等污染物是限制有机固废资源化利用的主要障碍。这些元素伴随有机固废进入环境以后，其迁移、累积及生物有效性等环境行为取决于元素的化学形态。因此，厘清这些元素的赋存形态、转化规律是实现有机固废资源化安全利用的前提。同步辐射光谱技术可以从分子水平、微纳米尺度、原位解析元素赋存形态、探索其反应机制，提升对有机固废中有机碳、硫、磷、重金属等形态演变、生物有效性转化等环境行为与反应机制的认识。文章重点介绍了软X射线吸收近边精细结构(NEXAFS)光谱、中能X射线吸收近边结构(XANES)光谱、硬X射线吸收光谱(XAS)及微束X射线荧光(μ-XRF)光谱在有机固废污染控制与资源化研究中应用最新进展。

图 1 XAS光谱区域划分(以CuSO4为例)

图 2 同步辐射光能量分布范围

软X射线吸收近边精细结构光谱

NEXAFS光谱可以有效表征碳、氮等吸收边能量不高于2 000 eV元素形态。相对于红外光谱、XPS等技术，NEXAFS光谱对不同官能团结构的“指纹效应”响应更为灵敏，可为解析生物质表面含碳、氮等低原子序数元素官能团形态、(键合)结构、杂化等提供更为详细的信息，特别是NEXAFS光谱配合扫描透射X射线显微镜(STXM)，可以从纳米尺度揭示样品中含碳官能团微区空间分布，尤其是有机碳芳香化结构组成与分布，为阐明有机固废生物质中有机碳在环境中固存、转化及与(有机)污染物络合等微观反应机制提供重要支持。

中能X射线吸收光谱

中能XANES光谱在有机固废研究中的应用主要包括磷、硫等非金属元素K边及部分重金属L边吸收谱。磷素作为一种不可再生资源，合理利用有机固废中磷资源成为解决磷素危机和可持续发展的关键途径之一。硫作为有机固废含量丰富、易受环境氧化还原电位影响的元素，可与有机固废中亲硫(重金属)元素形成稳定的硫化物，在调节环境微生物群落结构、影响有机固废中氧化还原反应、污染物降解转化、以及重金属生物有效性、迁移转化等方面发挥着重要作用。在有机固废无害化、资源化处理过程中，磷、硫形态发生显著演变，直接影响其生物有效性，并影响有机固废中重金属赋存形态及生物有效性。通过中能XANES光谱，探明有机固废中磷、硫赋存形态，成为解析重金属形态转化与归趋等复杂反应过程、促进有机固废清洁利用的关键钥匙。

硬X射线吸收光谱

硬X射线能段一般指元素周期表中原子序数大于20的元素K吸收边以上能区(>4.0 keV)，同时也包括L吸收边能区在该范围元素，如铅、汞等。XAS是在有机固废环境行为研究中应用最为广泛的同步辐射谱学技术，在有机固废中重金属的赋存形态，有机固废无害化、资源化处理过程中重金属形态演变机制，以及有机固废资源化再利用过程中重金属环境行为等方面的研究中显示出独特的优势，推动相关研究取得了重要进展。
 

微束X射线荧光光谱

μ-XRF光谱可以在微纳米(低至~50 nm)尺度、半定量表征多种元素(通常元素原子序数大于15)在样品中赋存形态和化学结构的二维分布及其相关性的信息，并可在样品热点区域应用XAS来确定元素赋存状态，可以解析目标元素在有机固废中配位结构、转化过程、反应机制等信息，为深入揭示目标污染物的形态演变及其影响因素、作用机制提供直接的证据。

展望

(1)有机固废样品具有空间尺度上变异度高、基质组成复杂、目标元素含量低等特点，联合多种谱学技术，可从不同元素、不同角度深入揭示有机固废环境行为与过程机制;

(2)基于软、中能X射线谱学技术揭示有机固废中碳、磷、硫赋存形态与生物有效性转化研究相对薄弱，缺乏从分子水平认识有机固废中碳、磷、硫赋存形态与重金属形态演变之间联系的研究;

(3)同步辐射谱学技术研究有机固废中重金属赋存形态目前主要局限于铜、锌等毒性相对较小的元素及对外源重金属吸附、钝化行为研究，有关有机固废中毒性较大的砷、铬、铅等元素形态演变研究报道相对较少;

(4)借助同步辐射谱学技术探明有机固废中碳、磷、硫等营养元素及潜在风险物质，特别是高毒性重金属等污染物形态转化行为，厘清其作用机制及关键影响因素，可为有机固废的无害化处理、资源化利用提供技术和理论支持。