铁循环是土壤中物质与能量转化的重要的驱动力,土壤中非生物Fe(Ⅱ)或是微生物异化铁还原产生的Fe(Ⅱ)吸附于土壤界面,具有更低的氧化还原电位和更高的化学还原能力,可促使无定型氧化铁通过重结晶转化为结晶度更高的氧化铁矿物。氧化铁的这一重结晶过程,可使土壤中游离态的重金属在结晶后的二次氧化铁矿物中固定,降低环境风险。本研究采用厌氧培养批处理,以水铁矿为目标氧化铁,探讨铁循环过程游离态Fe(Ⅱ)与氧化铁共存时,Fe(Ⅱ)催化作用下氧化铁晶相重组过程,并以土壤环境中氧化铁的Al结构取代这一普遍的环境矿物学现象为基础,研究Fe(Ⅱ)催化Al取代氧化铁晶相重组过程。获得的研究结果可完善铁循环理论体系,并有望为深入揭示自然环境中污染物还原转化过程提供理论依据,为基于氧化铁作用过程的土壤重金属污染原位控制技术开发提供依据。主要结果包括:(1)57Fe同位素示踪方法研究厌氧体系中游离态Fe(Ⅱ)与赤铁矿中结构态Fe(ⅡI)之间的反应机制。结果表明,游离态Fe(Ⅱ)与赤铁矿中的结构态Fe(ⅡI)能发生明显的Fe原子交换,即游离态Fe(Ⅱ)进入到赤铁矿结构形成结构态Fe(ⅡI),而赤铁矿中原来的部分结构态Fe(ⅡI)被还原释放,进入到溶液体系形成游离态Fe(Ⅱ)。这一反应体系中Fe原子交换率受pH值和游离态Fe(Ⅱ)初始浓度的影响,与酸性环境相比,pH 7.5的中性环境更有利于Fe原子交换的发生;在相同pH值条件下,Fe原子交换率随游离态Fe(Ⅱ)初始浓度的升高而降低。更为重要的是,通过X射线衍射和穆斯堡尔谱等结构表征研究手段,我们在游离态Fe(Ⅱ)作用下赤铁矿晶相重组过程中观察到新的赤铁矿和针铁矿的形成,说明部分游离态Fe(Ⅱ)进入到氧化铁结构后,大部分通过晶体同质外延生长机制形成了新的赤铁矿晶体,部分则通过异质外延生长机制形成了针铁矿。使赤铁矿这一性质稳定的氧化铁发生了晶相转变。(2)不同稀土重金属离子对Fe(Ⅱ)催化水铁矿晶相转变的影响。选择六种稀土金属离子研究对Fe(Ⅱ)催化水铁矿晶相转变过程的影响。结果表明,不同重金属离子条件下,水铁矿的转化路径与速率不同,重金属离子与水铁矿的络合常数logK是影响水铁矿转化差异的主要原因,通过影响重金属离子和Fe(Ⅱ)物种在水铁矿表面的分配转化,以及活性Fe(Ⅱ)物种的氧化还原电位而影响了水铁矿晶相转变。(3)Fe(Ⅱ)催化不同比例Al代水铁矿晶相转变及共存Cd(Ⅱ)或Cr(ⅡI)的影响。研究了在两种重金属离子条件下,研究了Fe(Ⅱ)对不同比例Al代水铁矿晶相转变过程的影响。结果表明,不同重金属离子以及不同比例Al的掺杂对铁矿转化的路径与速率不同。由于Cd(Ⅱ)和Cr(ⅡI)离子半径和价态差异很大,而Cr(ⅡI)与Al3+和Fe(ⅡI)有相同的价态和近似的离子半径,Cr(ⅡI)相比于Cd(Ⅱ)来说,在Fe(Ⅱ)催化不同比例Al代水铁矿晶相转变过程中,Cr(ⅡI)被固定的比例就越大。