采用纳米零价铁去除水中的砷和硒，考察了不同溶解氧、纳米零价铁投加量、接触时间以及溶液初始pH值等条件下纳米零价铁去除水中砷和硒的效果，并比较了反应前后固体的形貌、组成、溶液pH值及反应机制.结果表明，纳米零价铁可广泛用于去除水中的砷/硒污染，去除效果顺序依次为Se（IV）> As（Ⅲ）> Se（VI）> As（V）；水中溶解氧（DO）对As（Ⅲ）和Se（IV）的去除没有显著的影响，而高浓度的DO对As（V）和Se（VI）的去除产生了一定的抑制作用；增加纳米零价铁投加量可促进砷和硒的去除；溶液初始pH值对纳米零价铁去除As（Ⅲ），As（V）和Se（VI）的影响较大，而对Se（IV）的去除几乎没有影响；反应后固体的形貌、组成及溶液pH值存在差异.纳米零价铁与砷、硒反应机理的不同造成了去除效果及反应后固液两相的差异.

厌氧状态下，游离态Fe（Ⅱ）（Fe（Ⅱ）_aq）催化氧化铁晶相重组是重要的铁循环化学过程，其本质是Fe（Ⅱ）_aq与结构态Fe（Ⅲ）间的Fe原子交换，这一过程对稻田土壤和沉积物中重金属的环境行为产生重要影响，其影响机制有待于深入研究.本研究结果显示，Fe（Ⅱ）_aq催化水铁矿晶相转变过程中，重金属离子Pb（Ⅱ）通过与Fe（Ⅱ）的竞争性吸附，降低了水铁矿表面吸附态Fe（Ⅱ）浓度，抑制了Fe（Ⅱ）_aq与水铁矿中结构态Fe（Ⅲ）之间的Fe原子交换，最终降低水铁矿晶相转变速率并改变水铁矿晶相转变途径.无Pb（Ⅱ）时，水铁矿最终转变为针铁矿和磁铁矿；Pb（Ⅱ）影响下，转变产物主要为纤铁矿，部分为针铁矿和磁铁矿.在水铁矿晶相转变过程中，部分吸附到氧化铁表面的Pb（Ⅱ）通过晶体包裹或Fe结构位取代，被形成的氧化铁结构化固定，从而降低了重金属Pb（Ⅱ）的活性.

氧化铁和高岭石是红壤中可变电荷的主要来源，对红壤的酸碱变化起到缓冲作用.本研究基于红壤矿物的表征和酸碱滴定实验结果，采用1-site/2-pK表面络合模型获得了其表面活性位点浓度H_s、密度D_s、酸碱平衡常数pK_a^int以及电荷零点pH_pzc等相关参数，定量解析了氧化铁和高岭土的酸碱缓冲能力.结果表明：该模型能较好地适用于分析针铁矿、赤铁矿及高岭石的表面酸碱性质；针铁矿、高岭石表面活性位点浓度H_s较高，说明其对酸具有较好的缓冲效果.根据上述酸碱性质参数，模拟计算了不同pH下的矿物表面化学物种，揭示了矿物表面反应缓冲土壤酸碱变化的机制.采用上述酸碱滴定方法及模型计算方法，分析实际林地红壤样品的酸碱缓冲能力，并采用表面络合模型计算了其表面化学物种，验证了该方法用于林地红壤酸碱缓冲能力分析的可行性.

绿锈与As（V）可共存于土壤、沉积物和地下水等缺氧环境，但As（V）如何影响绿锈转化过程和机制了解甚少.本工作通过溶液化学和光谱学方法，系统研究了As（V）浓度、pH、温度和空气流速对硫酸盐绿锈（GR）转化的影响.GR转化过程中通过吸附和共沉淀作用对As（V）有极强的去除能力，同时As（V）增强了GR的稳定性，显著影响转化产物的结晶度、矿物类型和生成机制.随As（V）浓度增加，GR氧化转化由溶解-氧化-沉淀机制向固态氧化机制过渡，产物由针铁矿和纤铁矿混合相向纯纤铁矿向纤铁矿、水铁矿和高铁绿锈混合相转变；高As（V）浓度时形成无定形FeAsO₄表面沉淀.Fe/As=24时，pH 6.5~9、温度（5~45℃）和空气流速（0~0.05 m³/h）条件下纤铁矿均为主要产物，随pH和空气流速增加或温度减小纤铁矿结晶度逐渐减弱；高pH或高空气流速或低温有利于高铁绿锈和水铁矿形成，高温有利于针铁矿形成.上述结果对深入理解环境中各种铁氧化物的形成转化机制和As（V）的环境行为有重要意义.

重金属是一类毒性较高、处理难度较大的环境污染物.纳米零价铁因为具有高效分离、固定重金属的潜能而受到广泛关注.其独特的纳米级核壳结构和表面性质使纳米零价铁能够通过吸附、还原和沉淀等多种作用高效去除重金属.现代仪器分析手段的进步，特别是高分辨电子显微成像技术的发展，为深入研究纳米零价铁的微观结构以及纳米零价铁与重金属的作用机理开辟了新的视角.本文重点讨论了纳米零价铁的结构、性质及其在重金属去除中的作用.研究借助高分辨率的球差校正扫描透射电镜（Cs-STEM）成像，配合高灵敏度的X射线能谱仪（XEDS）进行化学分析，旨在更好地了解纳米零价铁的精细结构及其与重金属的界面反应过程和机理.在深入理论研究的同时，通过"小试-中试-工程"逐级放大的方法，系统论证了纳米零价铁处理重金属废水的可行性.结果表明，纳米零价铁可有效、同步去除实际废水中铜、砷、铅、锌等多种重金属，并具有较高的去除负荷.

生物矿化是自然界普遍存在的现象，是生物介入下的矿物晶体形成过程，但如何有意识地去调控生物矿化过程并将之用于水处理上报道很少，报告了以生物矿化为核心的含重金属酸性矿山废水（AMD）处理新方法.将嗜酸性氧化亚铁硫杆菌负载在弹性填料上促进酸性矿山废水（AMD）中Fe²⁺生物氧化并与SO₄^2-形成施威特曼石（schwertmannite）矿物晶核并持续生长，并通过共沉淀和吸附作用原位去除AMD中部分有毒金属.水中残余的未参与生物矿化的Fe³⁺则在负载有嗜酸性铁还原菌的载体上被还原成Fe²⁺，继而再通过将嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氧化成矿，如此交替构成亚铁生物氧化成矿和残余三价铁生物还原单元，重复多次，最大程度地将AMD中溶解性铁和硫酸根转变为施氏矿物，并去除部分有毒金属，施氏矿物可回收作为新型环境材料.生物矿化后的酸性出水则最后通过极少量的石灰中和即可使水质完全达标.这种"生物矿化-石灰沟渠"新型被动处理系统石灰需求量可减少80%以上，"毒渣"产生量减少90%以上，且"毒渣"中有色金属品位可提高10倍，能用于金属冶炼，是一种极有应用前景的酸性重金属废水处理与资源化新方法.

热带地区土壤有机碳的稳定性受有机碳与高岭石、三价铁离子[Fe（Ⅲ）]交互作用的强烈影响.低分子量有机酸（LMWOAs）是土壤有机碳中最易被微生物降解的组分，研究LMWOAs在高岭石-Fe（Ⅲ）-LMWOAs三相系统中的固定机制对于理解热带地区土壤有机碳循环具有重要意义；然而LMWOAs在该三相系统中固定机制仍不清楚，并缺乏分子水平上的直接证据.本研究以柠檬酸（CA）为LMWOAs的典型代表，通过采集Fe/CA初始物质的量比2.0条件下获取的吸附样品，利用同步辐射X射线扫描透射显微术（STXM）在亚微米尺度上表征C，Fe和Si的分布特征，发现C-Fe分布的相关性与C-Si分布相当；并在高C，Fe微区中利用C的K边和Fe的L₃边X射线近边吸收精细结构谱（NEXAFS）在分子水平上揭示了Fe在不同富集微区分别以水铁矿和高岭石-Fe（Ⅲ）-CA三元配合体形式存在，从而表明水铁矿诱发的吸附/共沉淀以及以Fe（Ⅲ）为架桥形成高岭石-Fe（Ⅲ）-CA三元配合作用是CA固定的重要机制.本研究成果对于理解热带地区土壤中CA稳定性和低分子量有机酸的碳固定和循环机制提供了重要科学依据.

阿特拉津是一种持久性含氯有机污染物，难以生物降解，因此有必要开发高效技术清除环境中残留的阿特拉津.近来纳米铁材料的发展为降解阿特拉津提供了一种可供选择的新方法，但降解过程中纳米铁活性逐渐减弱的问题仍需改进.本论文研究了铜离子（Cu²⁺）存在条件下Fe@Fe₂O₃纳米线活化分子氧降解阿特拉津的过程，并探讨了Cu²⁺的作用机理.研究结果表明，少量Cu²⁺的存在就可以显著促使Fe@Fe₂O₃生成溶解态Fe（Ⅱ），从而有助于分子氧活化并产生更多·OH等活性氧物种.在降解过程中，阿特拉津首先被氧化，进而发生脱氯上羟基反应、侧链氧化以及脱侧链反应.

天然有机质（NOM）对纳米铁基材料去除污染物过程中的影响作用机理仍存争议.本工作选取腐殖酸（HA）作为NOM的代表物，研究了HA对生物炭负载纳米镍铁（BC@Ni/Fe）降解十溴联苯醚（BDE209）的动力学影响，结果表明HA对BC@Ni/Fe降解BDE209产生抑制作用，且随着HA浓度的升高，抑制作用越显著.通过HA与BC@Ni/Fe相互作用实验发现，HA能够快速地被BC@Ni/Fe吸附；通过HA对BC@Ni/Fe的Zeta电位和沉降影响实验发现，随着HA浓度的升高可有效提高BC@Ni/Fe的稳定性以及表面电荷，这表明HA不是通过影响BC@Ni/Fe颗粒的性能对BC@Ni/Fe去除BDE209产生抑制作用的.BC@Ni/Fe的腐蚀能力随着HA浓度的升高而降低，这与HA对BC@Ni/Fe去除BDE209反应活性影响成正相关关系.HA中具有电子传递作用的典型醌类化合物2-羟基-1，4-萘醌（Lawsone）和蒽醌-2，6-磺酸钠（AQDS），在反应过程中并没有起到电子传递作用促进反应进行，反而对BC@Ni/Fe去除BDE209起抑制作用.结合BDE209和HA之间的竞争吸附实验发现，HA抑制BC@Ni/Fe反应活性的主导原因是HA优先于BDE209被BC@Ni/Fe吸附，HA包覆于BC@Ni/Fe颗粒表面占据了活性位点，阻碍BC@Ni/Fe与H₂O的接触，减少了Fe⁰的腐蚀，从而抑制了BC@Ni/Fe对BDE209的降解.

纳米零价铁（NZVI）作为一种原料来源广泛的环境污染修复剂，被广泛应用于地下水和废水等水环境污染修复领域中.尽管这种材料具有反应活性优异、成本低和毒性低的特点，但又面临着自身性质带来的在原位修复和储存等方面的局限.在提高其在水环境中的实际应用潜力的改性方法中，硫化作用成为近10年来的一个研究热点，这也意味着NZVI改性的研究重点从提高NZVI反应活性转移到提高电子的选择性上.硫化型NZVI的制备方法各异，制备方法主要为化学法.这些硫化型材料被大量应用于水体有机污染物降解和重金属去除的研究中来考察它们的实际反应活性，其与水体污染物在不同环境体系下的反应机制也被深入研究.其中，根据硫化型NZVI降解污染物种类和反应条件的不同，大致可以分为吸附、还原和氧化这三大类.尽管目前硫化型NZVI的实际应用仍面临着较多的局限，但是在提高反应活性和电子选择性等方面突破巨大.深入地梳理硫化型NZVI的反应性能和其去除水体中污染物的反应机制的研究进展能够为未来硫化型NZVI的研究指明发展方向.由于硫化型零价铁的优异性能，该材料和相关的硫化铁系材料将会逐步成为环境修复领域的重要材料分支，具有潜在的发展前景.

纳米零价铁直接还原降解有机污染物运行长效性差，且不能矿化有机污染物.利用纳米零价铁还原活化分子氧生成活性氧物种可以氧化甚至矿化有机污染物.在最近的研究中，作者提出了纳米零价铁活化分子氧的双途径机理，即铁核电子转移到氧化铁壳表面的双电子还原活化分子氧途径和氧化铁表面结合态亚铁离子的单电子还原活化分子氧途径，阐释了纳米零价铁核壳结构依赖的分子氧活化降解有机污染物性能机制及性能增强策略.证实在纳米零价铁活化分子氧体系添加少量亚铁离子能在零价铁表面形成更多的结合态亚铁，显著增强纳米铁表界面活性氧物种生成量；同时，在纳米零价铁活化分子氧体系中引入少量有机或无机配体亦可提高活性氧物种产生效率，从而增强有机污染物降解性能.最后讨论了典型环境因素如pH值、共存离子、天然有机物等影响纳米零价铁活化分子氧降解有机污染物性能的规律.

随着核能的广泛应用和核技术的快速发展，环境中放射性核素铀的污染日益严峻.纳米零价铁（Nanoscale Zero Valent Iron：nZVI）因其具有廉价、制备简便、高表面活性及对铀高效的吸附性能等特性而逐渐成为环境中铀污染处理的良好材料.采用可行的方法制备纳米零价铁复合材料，借助单体材料之间的协同效应可进一步提高材料对铀酰的吸附性能.因此，纳米零价铁复合材料的制备以及应用成为近期环境科学领域的研究热点之一.针对纳米零价铁及其复合材料对环境中铀酰的去除研究进行了概述和展望，包括纳米零价铁及其复合材料的制备方法、去除效果及去除机理，并且简要探讨了纳米零价铁及其复合材料在环境放射性污染治理的应用前景，以期为今后的深入研究和实际应用提供参考依据.

作为一种环境友好、价格低廉的水处理药剂，零价铁（ZVI）的低反应活性已成为基于ZVI水处理技术工程应用的一个重要障碍.如何提高ZVI对污染物的去除已成为目前研究的焦点，作者课题组近年来围绕探究弱磁场（WMF）对ZVI除有毒污染物的正面效应及其作用机制展开了系列研究.该系列工作明确了WMF能够提高ZVI对有毒金属离子的去除速率，探明了WMF强化ZVI除污染的作用机制主要是通过磁场梯度力实现的.为进一步探索磁场对零价铁除污染的正面效应，作者提出通过磁场预磁化来提高ZVI对水中污染物的反应活性，且考察了该方法强化不同来源零价铁去除不同污染物的广谱性.利用WMF强化ZVI对水中污染物的去除具有高效、操作简单、低成本、适用广泛以及无二次污染等优点，因而利用WMF是一种应用前景广阔的提高ZVI活性的水处理技术.

含铁矿物常见于土壤中和地表下.在那里，它们以多种形式支撑微生物的生长和代谢，如作为微生物厌氧呼吸的电子受体、微生物自养生长的电子供体和能量来源、微生物细胞之间的电子导体和电子储存介质.微生物细胞膜套的物理化学性质决定其既不具有矿物渗透性，也不具备导电性.因此，微生物需要进化出特定的机制同胞外矿物交换电子（即胞外电子传导）.微生物胞外电子传导与常见的，用于有氧呼吸的微生物细胞电子传递链有着诸多本质区别.本文中，我们概述了微生物与胞外含铁矿物之间电子传导的分子机理，以及相关的微生物在生物修复污染物、生产新型纳米材料、生物采矿和生物能源中的应用.