腐殖酸和铁氧化物广泛存在于自然环境,是地球环境中极其重要的两种天然胶体物质,可以通过静电吸附、络合、阳离子桥键等不同的机制吸持有机、无机污染物,从而影响污染物的迁移转化、赋存形态、环境毒性和生物有效性,因而铁氧化物和腐殖酸对污染物环境行为的影响及其机理,长期以来一直是环境地球化学的研究热点。汞和砷是两种环境危害极大的重金属元素,由于工业“三废”的排放、大气沉降、污水灌溉以及农田施肥等导致土壤、水环境汞、砷污染日益严重,不仅影响了土壤、水环境生态系统的结构和功能,而且影响植物正常的生长发育,还可能通过食物链进入人体,使人体健康遭受严重的危害。铁氧化物和腐殖酸这两种胶体在土壤、水体等各种环境介质往往同时存在,它们之间的相互作用势必会改变其各自对重金属的吸持特性,从而对重金属的形态、迁移转化与生物活性及毒性产生不同影响,但迄今对于这两者之间的相互作用及其对重金属次级吸附的影响的研究尚显薄弱。本文以环境中广泛存在的三种铁氧化物(针铁矿、赤铁矿、水铁矿)为代表,采用批处理等温吸附试验的方法,在研究阐明腐殖酸在铁氧化物上的吸持特征的基础上,制备了铁氧化物铁氧化物-腐殖酸复合物,系统比较了单一铁氧化物、单一腐殖酸与铁氧化物-腐殖酸复合物体系对两种不同电性可变价重金属污染元素(Hg2+阳离子和AsO43-阴离子)的等温吸附热力学、动力学差异及pH和离子强度效应的差异,结合X-射线衍射(XRD)分析、扫描电镜观察(SEM)以及配位化学相关理论,揭示铁氧化物吸附腐殖酸后对Hg2+和AsO43-次级吸附的影响及其机理,为深入认识腐殖酸和铁氧化物的相互作用及其环境影响,以及土壤与水环境汞、砷活性调控和污染修复提供科学依据。主要研究结果如下:1、三种铁氧化物均能强烈吸附腐殖酸,吸附速率、吸附强度和容量与pH和离子强度密切相关,腐殖酸在铁氧化物上的吸附改变了铁氧化物表面形态与性质。(1)针铁矿、赤铁矿和水铁矿对腐殖酸的等温吸附可以很好地用Langmuir方程能予以拟合,三种铁氧化物对腐殖酸的最大吸附量Qmax大小分别为7.728、2.252、3.143μg/mg;(2)在pH2.5M0.0范围内,随pH值的增加,三种铁氧化物对腐殖酸吸附量降低,以在4水铁矿(0.867mg/g)>赤铁矿(0.814mg/g);3种复合物吸附Hg2+的Qmax大小顺序依次为Gt-HA (3.20 mg/g)> FeH-HA (1.96 mg/g)>HeM-HA (1.75 mg/g)。三类吸附剂对汞离子吸附量的大小顺序为:铁氧化物<腐殖酸<复合物,表明铁氧化物与腐殖酸形成的复合物对Hg2+的吸附容量有了一定的提高,但是复合物的吸附量却小于单一的铁氧化物吸附量与单一腐殖酸吸附量之和,其原因是腐殖酸与铁氧化物形成复合物的过程中相互作用掩盖或消耗了部分结合位点。(3)pH是影响铁氧化物、腐殖酸以及复合物吸附Hg2+的最重要因素,但影响程度并不相同。单一铁氧化物及其复合物受pH值影响表现出一致的现象,随pH值的增加吸附增加,呈现一个“S”型分布,pH5.5以下,吸附率随pH变化较小,pH5.5-7.0,吸附率随pH增加而急剧升高,而在pH7-10弱碱性范围内,随吸附量随pH变化幅度较小,吸附率趋于稳定;腐殖酸对Hg2+的吸附率受pH的影响程度远小于铁氧化物和复合物,腐殖酸对Hg2+的吸附率在pH5.5时达到最大;(4)三类吸附剂吸附Hg2+的特征也受到反应体系离子强度的影响。三类吸附剂对Hg2+的吸附率随着离子强度的增大均升高,有着相似的变化趋势,但是不同的离子强度对三类吸附剂影响程度有着区别:当离子强度较小,低于0.01mol/L时,腐殖酸对Hg2+的吸附率受影响程度明显低于铁氧化物和复合物;而当离子强度大于0.02mol/L时,铁氧化物对Hg2+的吸附率受离子强度影响程度更小;(5)电镜扫描表明三种铁氧化物结合Hg2+后,原有晶体表面变得较为模糊和褶皱,暗示三种铁氧化物对汞离子有着强烈的吸附作用,反应发生后有较多的汞离子聚集在铁氧化物表面,从而使铁氧化物表面不再平整;复合物结合Hg2+离子后原有的块状结构大部分消失,整个分子表面变得凸凹不平,而且复合物结合汞后的结构出现了破裂现象,以赤铁矿-腐殖酸复合物和水铁矿-腐殖酸的破裂现象尤其突出,证明了复合物与汞离子之间内层配合物的形成。4、腐殖酸与铁氧化物形成复合物不仅对阳离子形态重金属Hg2+的次级吸附产生了影响,对阴离子形态的As043-的次级吸附也具有明显影响:复合物的形成同样提高了对AsO43-吸附速率,但显著降低了对As043-吸附容量,复合物的形成并未改变AsO43-吸附过程中对pH和离子强度的响应特征。(1)腐殖酸、铁氧化物及腐殖酸铁氧化物复合物三类吸附剂对AsO43-离子的吸附动力学特征仍然以Lagergren second-order reaction kinetics equation为最佳模型,总体上来看速率常数的大小顺序为铁氧化物<腐殖酸<复合物,(针铁矿、赤铁矿、水铁矿分别为12.31、11.49、21.04)<腐殖酸(89.32)<复合物(三种复合物分别为121.3、102.4、198.5),复合物的形成增强了其对As043-的吸附速率;(2) Langmuir方程能较好的描述三类吸附剂对AsO43-的等温吸附特征:腐殖酸对AsO43-的最大吸附量Qmax为4.511 mg/g,铁氧化物对AsO43-离子的最大吸附量QMmax大小顺序为水铁矿(19.31 mg/g)>针铁矿(8.93 mg/g)>赤铁矿(6.66 mg/g);复合物吸附As043-的Qmax大小顺序为水铁矿复合物(15.17 mg/g)>针铁矿复合物(6.85 mg/g)>赤铁矿复合物(5.17 mg/g)。三类吸附剂Qmax大小顺序为腐殖酸<复合物<铁氧化物,表明形成复合物以后对As043-的吸附不仅小于单一的铁氧化物吸附量与单一腐殖酸吸附量之和,还小于单一的铁氧化物吸附量;(3)pH是影响三类吸附剂吸附As043-的重要因素,三类吸附剂受pH影响变化规律基本一致,在弱酸性-弱碱性(pH6-8)范围内,三类吸附剂对AsO43-的吸附量较高,而在pH低于5或pH高于8时吸附量下降。基本上在整个试验pH 2-10范围内,同一种铁氧化物对AsO43-吸附量均高于其复合物吸附量,表明针铁矿、赤铁矿和水铁矿与腐殖酸作用后的复合物对AsO43-的吸附能力降低;(4)离子强度是影响三类吸附剂吸附AsO43-的的因素之一,但与pH相比,其影响程度要小得多。单的三种铁氧化物和三种复合物对AsO43-的吸附量均随离子强度的增加而增长;而对于腐殖酸对AsO43-的吸附,当离子强度小于0.1mol/L时,腐殖酸对AsO43-吸附量随着离子强度的增加而缓慢增加,而当离子强度超过0..1mol/L时,吸附量基本保持不变。(5)扫描电镜表明三种铁氧化物-腐殖酸复合物结合AsO43-后原有的块状结构大部分消失,整个分子表面变得凸凹不平,而且部分结构出现了破裂现象,证明了复合物与AsO43-离子之间内层配合物的形成。5、铁氧化物吸持腐殖酸对Hg2+和AsO43-次级吸附影响的比较。结果表明,在吸附动力学上,除了针铁矿、赤铁矿吸附AsO43-的吸附速率常数略低于Hg2+外,其余几种吸附剂对AsO43-的吸附速率常数都高于Hg2+,表明三类吸附剂对AsO43-的吸附反应速率更快,它们对As043-的Qmax明显比Hg2+大得多,前者一般是后者的数倍,原因在于Hg2+和AsO43-两种离子电性、电荷的差异;复合胶体对AsO43-的吸附量低于相应的铁氧化物,而复合胶体对Hg2+离子的吸附量则高于铁氧化物,原因可能来自两种离子半径差异而导致的进攻位阻的差别。腐殖酸吸附Hg2+和AsO43-离子受pH的影响基本相似,而单一的铁氧化物和复合物吸附Hg2+和AsO4。-离子受pH的影响程度存在着区别,pH对单一的铁氧化物和复合物吸附Hg2+离子的影响程度显著高于AsO43-离子。