铁是地壳中丰度排名第四的金属元素,其存在形式多样,如铁的氧化物、氢氧化物、硫化物和单质铁,对自然界中的生物地球化学循环过程以及环境中污染物质的迁移、转化和控制起着至关重要的作用。由于铁的形态和价态多变,它所展现出的特性也十分丰富,可以通过吸附沉淀、氧化还原和界面催化等作用处理污染物,因此受到水处理领域的广泛青睐。亚硫酸盐（S（Ⅳ））常作为一种强还原剂应用于高级还原技术中,如Cr（Ⅵ）还原和有机物脱卤。而近年来有一些报道发现,在有氧环境下亚硫酸盐还可被多种过渡金属元素活化产生强氧化性自由基,如羟基自由基（HO·）、硫酸根自由基(SO4·-)和过一硫酸根自由基(SO5·-),形成一种新式的高级氧化技术。然而,基于铁元素的S（Ⅳ）活化仅仅停留在溶液态Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）离子的均相过程上,其异相活化过程和机制鲜有报道。并且,不同结构态铁如三价铁、二价铁和零价铁性质差异巨大,是否也能活化S（Ⅳ）,以及在污染控制中两者之间的相互作用机制如何尚不明确。因此,本研究拟选用水铁矿和磁赤铁矿代表结构态三价铁、马基诺矿代表结构态二价铁以及微米单质铁代表零价铁,采取有光、无光两种活化方式,加入多种有机、无机污染物质,深入探究了不同结构态铁与亚硫酸盐的相互作用机制及其在污染控制中的应用。本文的主要研究内容和结果如下:1.以水铁矿（Ferrihydrite,Fh）为代表性的结构态三价铁矿物,在黑暗条件下催化活化亚硫酸盐,用于多种污染物质的氧化降解。不同类型氧化铁矿物活化亚硫酸盐的能力大小为:水铁矿＞施氏矿物＞纤铁矿＞＞针铁矿＞赤铁矿。Fh/S（Ⅳ）体系在pH 3.0-5.0范围内对污染物有氧化降解能力。这一体系具有良好的普适性,能够高效氧化有机染料、抗生素、药物、食品添加剂和As（Ⅲ）等26种污染物质,并且经6次循环水铁矿的催化活性未明显减弱。此外,与传统的芬顿试剂H2O2、PS和PMS对比,添加S（Ⅳ）是一种更加高效、低廉的方式。批量实验、自由基淬灭实验和ESR分析结果证明,其内在机制为:亚硫酸盐先吸附在水铁矿表面,与水铁矿中的结构态三价铁配位形成≡Fe-SO3络合物,络合物分解产生SO3·-;接着,SO3·-与O2反应形成SO5·-;然后,SO5·-通过自由基链式反应转变为SO4·-和HO·;最终,实现污染物的氧化降解。2.磁赤铁矿（Maghemite,γ-Fe2O3）光化学活化亚硫酸盐降解药物碘海醇。可见光条件下磁赤铁矿能够活化S（Ⅳ）产生强氧化自由基,实现碘海醇的高效降解。磁赤铁矿/S（Ⅳ）/可见光体系在宽泛的pH范围（pH 3.0-10.0）内都有较好的氧化能力,并且最适pH在中性环境。通过多种污染物质氧化实验和多次循环实验,证明这一体系具有良好的普适性,磁赤铁矿有很好的循环稳定性。通过与最常用的芬顿氧化剂H2O2、PS和PMS对比发现,磁赤铁矿/可见光体系活化S（Ⅳ）降解碘海醇的效率最高。最后,淬灭实验和电子顺磁共振（ESR）分析表明,可见光照射下磁赤铁矿表面生成具有氧化性的空穴,空穴可活化S（Ⅳ）生成亚硫酸根自由基(SO3·-),SO3·-继续与O2反应,最终形成强氧化性的硫酸根自由基(SO4·-)。3.以马基诺矿（Mackinawite,Fe S）为代表性的结构态二价铁矿物,在黑暗条件下催化活化亚硫酸盐氧化降解药物碘海醇。马基诺矿等结构态二价铁矿物均能在非光条件下活化亚硫酸盐,不同类型硫化铁矿物的活化能力大小为:马基诺矿＞商业硫化亚铁＞磁黄铁矿＞黄铁矿。与水铁矿体系不同,这主要是依赖于溶出二价铁离子的均相活化过程。不同硫化铁矿物释放铁离子的快慢与其热力学稳定性呈正相关关系。马基诺矿/S（Ⅳ）体系相比水铁矿/S（Ⅳ）体系拥有更宽泛的适用pH范围（pH3.0-7.5）,并且对共存离子(如Cl-、HCO3-、PO43-、NO3-)和HA有更强的抗干扰能力。在污染物的氧化降解方面,使用S（Ⅳ）和使用PS、PMS有相当的降解能力,但远大于马基诺矿/H2O2体系。此外,在四种实际水体中,马基诺矿/S（Ⅳ）体系对碘海醇的降解率仍可达75%以上,说明其具有良好的普适性。4.零价铁与亚硫酸盐协同去除As（Ⅴ）。S（Ⅳ）的加入大大加速了ZⅥ的腐蚀,使ZⅥ对As（Ⅴ）的去除能力从30.88 mg/g提升到150.56 mg/g,并且在一个较宽泛的pH范围（3.0-7.0）内对As（Ⅴ）都有较强的去除能力。批量实验和ESR分析的结果表明,ZⅥ活化S（Ⅳ）过程中生成的SO4·-会反作用于ZⅥ本身,这一过程是加速ZⅥ腐蚀的主要原因。ATR-FTIR、XPS、XAS和Raman等光谱分析的结果显示,单一ZⅥ体系中生成的非磁性相以水铁矿为主,去除的As（Ⅴ）主要吸附在水铁矿表面,仅有一小部分形成FeAsO4沉淀;而加入S（Ⅳ）后,生成的非磁性相主要为臭葱石,As（Ⅴ）通过与Fe（Ⅲ）形成FeAsO4的形式被完全去除。5.零价铁活化亚硫酸盐氧化As（Ⅲ）和有机胂。零价铁高效活化亚硫酸盐生成硫酸根自由基(SO4·-),可在20分钟内快速氧化无机砷-As（Ⅲ）和有机胂-洛克沙胂（ROX）。在宽泛的pH范围（3.0-10.0）内,ZⅥ/S（Ⅳ）体系都能氧化As（Ⅲ）,且酸性和中性条件更有利于总砷的去除,生成的As（Ⅴ）主要以FeAsO4的形式沉淀。此外,溶液中共存的Cl-和NO3-对As（Ⅲ）的氧化和总As的去除影响小;而HCO3-、PO43-和HA对As（Ⅲ）氧化有一定的抑制作用,且大大减少总As的去除。对于ROX,ZⅥ/S（Ⅳ）体系可将其氧化,改变分子结构,但没有完全矿化为无机砷、CO2和H2O。