天然和工程形成的含铁胶体的团聚和运移等行为是近年来的研究热点。含水层物理、化学条件的扰动被认为是引起胶体形成、团聚、运移的原因。先前的研究主要考虑的扰动因素有流速、离子强度和组份、pH、配体等。除了上述扰动条件外,一些含铁胶体如有机质-铁(NOM-Fe)胶体和水铁矿(ferrihydrite)胶体被报道广泛存在于redox变化的环境,如厌氧/好氧界面(如浅层地下水、沉积物、分层湖泊、海洋系统等)和富含还原性硫环境等。先前有关NOM-Fe和ferrihydrite在redox变化体系中的研究主要集中在NOM与Fe之间的redox反应、ferrihydrite与redox活性物质(如还原性NOM和还原性硫(S(-II))等)之间的redox反应。虽然上述反应机理有较为清晰的认识,但却忽视了redox反应过程中胶体的形成和稳定性,以及redox反应对胶体在多孔介质中运移的影响,这些信息对评价胶体调控污染物的命运和归宿形成了知识缺口。基础和定量的理解NOM-Fe和ferrihydrite胶体在厌氧/好氧界面区域的行为有助于为建立反应输送模型提供关键参数和有助于为决策者制定污染物修复策略提供科学指导。本研究第一部分研究了NOM-Fe胶体在厌氧/好氧界面上的形成、团聚、沉积机理。核心假设为redox条件从厌氧区域向好氧区域的过渡以及C/Fe摩尔比能显著影响NOM-Fe胶体的组成、团聚和沉积等行为。为了验证该假设,将腐殖酸(HA)和Fe在一系列环境相关的C/Fe摩尔比等条件下反应,以形成HA-Fe胶体,并对胶体性质进行表征;随后,表征平衡条件下形成胶体的团聚和沉积等行为。结果表明,在厌氧平衡条件,胶体的组成为HAred-Fe(II);在好氧平衡条件,胶体的形成取决于C/Fe摩尔比值:当C/Fe摩尔比≤1.6时,形成HAox-Fe(III)共沉淀;当C/Fe摩尔比>1.6时,形成HAox-Fe(III)胶体。团聚和沉积实验表明,HAox-Fe(III)胶体的团聚速率和沉积速率均明显快于HAred-Fe(II)胶体,主要原因为后者体系中有较多的游离态HA分子,从而具有更多的游离态羧基等官能团。此外,不论HAox-Fe(III)还是HAred-Fe(II),它们的团聚和沉积行为随着C/Fe摩尔比的增加而增加。进一步研究了NOM-Fe胶体在厌氧/好氧界面上调控铬(Cr)的命运和归宿。首先,在一系列环境相关的静态条件下考察NOM-Fe胶体与Cr之间的redox反应,以及反应形成Cr(III)胶体的络合机理,随后利用柱实验评价上述平衡条件下形成Cr(III)胶体的运移行为。结果表明,在厌氧条件下,Cr(VI)在2 min内还原为Cr(III)。不论厌氧或好氧条件,在低C/Fe摩尔比下,Cr(III)与HA-Fe形成沉淀,而在高C/Fe摩尔比下,Cr(III)与HA-Fe形成胶体。Cr(III)胶体的形成主要依靠HA,而与Fe(II/III)浓度和pH无关。在氧化条件下,观察到了少量的Cr(V)(<总Cr的5%),说明Cr(III)发生了部分氧化。柱实验表明,相比于颗粒态的Cr(III),胶体态的Cr(III)具有更高的移动和稳定性。本研究第二部分研究了HAred和S(-II)对ferrihydrite胶体在多孔介质中运移的影响机理,以及S(-II)对ferrihydrite胶体携带砷(As)迁移转化的影响机制。主要研究手段为测量ferrihydrite胶体在出水的穿透曲线和柱中滞留曲线,并结合多种表征技术进行探究。结果表明,不论HA的redox程度如何,低浓度的HA致使ferrihydrite胶体团聚,从而限制其运移。高浓度的HA增加ferrihydrite胶体之间的静电斥力,从而显著促进运移。有意思的是,在高HA浓度下,HAred对ferrihydrite胶体运移的促进要明显小于HAox。这种差异主要是由于HAred会还原溶解ferrihydrite胶体为Fe(II),从而导致胶体质量减小,而HAox却不能还原ferrihydrite胶体。HAred对ferrihydrite胶体的还原程度正相关于HAred的浓度,还原形成的Fe(II)与游离态的HAred形成HAred-Fe(II)胶体。HAred-Fe(II)胶体与ferrihydrite胶体的运移行为一致。上述结果表明HA的redox程度对redox敏感的金属胶体的运移具有显著的影响。低浓度的S(-II)(0.25–1.5 mg/L)显著降低了ferrihydrite胶体及其ferrihydrite胶体携带As(III/V)的运移。无S(-II)时ferrihydrite胶体的迁移距离是1.5 mg/L S(-II)存在时的7倍。S(-II)降低ferrihydrite胶体运移的主要机理为还原溶解和形成带负电荷的硫单质(S(0))。还原溶解直接降低ferrihydrite胶体的质量;S(0)吸附在ferrihydrite胶体表面,降低其zeta电位,从而增加ferrihydrite胶体在柱中的沉积。Ferrihydrite和As共运移结果表明,不论S(-II)浓度如何,ferrihydrite胶体和As具有类似的穿透曲线和滞留曲线,说明ferrihydrite胶体能调控As的命运和归宿。比较有As和无As时ferrihydrite胶体的穿透曲线可得出,S(-II)对ferrihydrite-As(原始As浓度为100-400 μg/L)的穿透抑制要明显大于单独ferrihydrite胶体体系。As(As(III)和As(V))吸附在ferrihydrite胶体表面降低了ferrihydrite胶体的zeta电位,从而降低其运移,这在As(V)存在时尤为明显。进一步研究发现S(-II)和As能协同促进ferrihydrite胶体沉积,因为它们共同导致的沉积贡献大于它们各自的贡献,且在As(V)体系中,协同作用更为明显。在研究的条件范围内,没有观察到As(V)的还原和溶解态As(As(III)和As(V))的释放。本研究第三部分系统研究了在一系列环境相关的厌氧条件下,S(-II)对HA-Fe(III)胶体稳定性的影响。首先通过一系列光谱和微观表征技术,在静态条件下研究了S(-II)对胶体组成的影响。随后,对反应前后的胶体悬浮液进行团聚和柱迁移等表征,评价S(-II)对胶体稳定性的影响。静态结果表明S(-II)对HA-Fe(III)胶体中Fe(III)的还原溶解速率和程度取决于HA的浓度,较高浓度的HA能作为电子穿梭,在S(-II)和Fe(III)之间传递电子。S(-II)的氧化产物为S(0)和FeS。反应后HA-Fe胶体组成为HA-Fe(III)、HA-Fe(II)和HA-FeS。团聚结果表明,S(-II)增加了HA-Fe胶体的表面电荷,从而降低了团聚动力学速率。与S(-II)反应后HA-Fe胶体在Mg2+溶液中的临界絮凝浓度(CCC = 7.9 mM)大于反应前的值(CCC = 5.2 mM)。与团聚结果一致,柱迁移实验表明,相比于反应前的HA-Fe(III)胶体,与S(-II)反应后的胶体具有更高的穿透量。上述结果有助于理解HA-Fe(III)胶体在富含硫酸盐的环境中的命运和归宿。本研究突出强调了之前被广泛忽视的redox反应对含铁胶体行为的影响。相比于之前大量有关胶体运移或胶体携带污染物运移等研究,本研究将胶体运移过程从传统的redox稳态条件(缺少化学反应)下的迁移扩展到存在redox反应(如有化学反应存在)下的迁移转换,提供了新的视角理解胶体携带污染物或营养物质在redox动态环境中的命运和归宿。