Coprecipitation can be an effective treatment method for the removal of environmentally relevant metals from industrial wastewaters such as produced waters from the oil and gas industry. The precipitation of barite, BaSO4, through the addition of sulfate removes barium while coprecipitating strontium and other alkaline earth metals even when these are present at concentrations below their solubility limit. Among other analytical methods, X-ray fluorescence (XRF) nanospectroscopy at the Hard X-ray Nanoprobe (HXN) beamline at the National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) was used to quantify Sr incorporation into barite. Thermodynamic modeling of (Ba,Sr)SO4 solid solutions was done using solid solution—aqueous solution (SS-AS) theory. The quantitative, high-resolution nano-XRF data show clearly that the Sr content in (Ba,Sr)SO4 solid solutions varies widely among particles and even within a single particle. We observed substantial Sr incorporation that is far larger than thermodynamic models predict, likely indicating the formation of metastable solid solutions. We also observed that increasing barite supersaturation of the aqueous phase led to increased Sr incorporation, as predicted by available kinetic models. These results suggest that coprecipitation offers significant potential for designing treatment systems for aqueous metals' removal in desired metastable compositions. Solution conditions may be optimized to enhance the incorporation of Sr by increasing sulfate addition such that the barite saturation index remains above ∼3 or by increasing the aqueous Sr to Ba ratio.

中文翻译：

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金属与重晶石共沉淀：增强锶掺入的纳米 XRF 观察

共沉淀是一种有效的处理方法，可用于从工业废水（例如石油和天然气工业的产出水）中去除与环境相关的金属。重晶石 BaSO4 通过添加硫酸盐沉淀去除钡，同时共沉淀锶和其他碱土金属，即使它们的浓度低于其溶解度极限。在其他分析方法中，国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 的硬 X 射线纳米探针 (HXN) 光束线的 X 射线荧光 (XRF) 纳米光谱用于量化 Sr 掺入重晶石中。(Ba,Sr)SO4 固溶体的热力学建模是使用固溶-水溶液 (SS-AS) 理论完成的。定量的高分辨率纳米 XRF 数据清楚地表明 (Ba, Sr)SO4 固溶体在颗粒之间甚至在单个颗粒内变化很大。我们观察到比热力学模型预测的要大得多的大量 Sr 掺入，这可能表明形成了亚稳态固溶体。我们还观察到，如可用动力学模型所预测的那样，水相重晶石过饱和度的增加导致 Sr 掺入增加。这些结果表明，共沉淀为设计用于去除所需亚稳态组合物中的水性金属的处理系统提供了巨大的潜力。可以通过增加硫酸盐的添加量来优化溶液条件以提高 Sr 的掺入，从而使重晶石饱和指数保持在 3 以上，或者通过增加 Sr 与 Ba 的水比。我们观察到比热力学模型预测的要大得多的大量 Sr 掺入，这可能表明形成了亚稳态固溶体。我们还观察到，如可用动力学模型所预测的那样，水相重晶石过饱和度的增加导致 Sr 掺入增加。这些结果表明，共沉淀为设计用于去除所需亚稳态组合物中的水性金属的处理系统提供了巨大的潜力。可以通过增加硫酸盐的添加量来优化溶液条件以提高 Sr 的掺入，从而使重晶石饱和指数保持在 3 以上，或者通过增加 Sr 与 Ba 的水比。我们观察到比热力学模型预测的要大得多的大量 Sr 掺入，这可能表明形成了亚稳态固溶体。我们还观察到，如可用动力学模型所预测的那样，水相重晶石过饱和度的增加导致 Sr 掺入增加。这些结果表明，共沉淀为设计用于去除所需亚稳态组合物中的水性金属的处理系统提供了巨大的潜力。可以通过增加硫酸盐的添加量来优化溶液条件以提高 Sr 的掺入，从而使重晶石饱和指数保持在 3 以上，或者通过增加 Sr 与 Ba 的水比。我们还观察到，如可用动力学模型所预测的那样，水相重晶石过饱和度的增加导致 Sr 掺入增加。这些结果表明，共沉淀为设计用于去除所需亚稳态组合物中的水性金属的处理系统提供了巨大的潜力。可以通过增加硫酸盐的添加量来优化溶液条件以提高 Sr 的掺入，从而使重晶石饱和指数保持在 3 以上，或者通过增加 Sr 与 Ba 的水比。我们还观察到，如可用动力学模型所预测的那样，水相重晶石过饱和度的增加导致 Sr 掺入增加。这些结果表明，共沉淀为设计用于去除所需亚稳态组合物中的水性金属的处理系统提供了巨大的潜力。可以通过增加硫酸盐的添加量来优化溶液条件以提高 Sr 的掺入，从而使重晶石饱和指数保持在 3 以上，或者通过增加 Sr 与 Ba 的水比。