地下水资源的稀缺和日益增长的用水需求,使得我国面临着严重的地下水用水危机,而地下水污染又进一步加剧了用水危机。在各种地下水污染物中,重金属因具有毒性高、隐蔽性强和迁移性强等特性,在近几十年内一直受到国内外学者广泛关注。为了消除或降低地下水中重金属污染物浓度,保障地下水用水安全,各国学者开发出了一系列修复技术。其中,含铁物质在目前开发的多种修复技术中被广泛应用,这是因为自然界中铁循环与重金属的环境行为存在着密切联系。然而这些修复技术目前存在着成本高、修复效果差或者不能长期稳定修复等问题,因此修复重金属污染的地下水仍然是当前环境科学研究领域中一个巨大的挑战,需要开发新的修复技术。最近的研究表明,原位形成磁铁矿有可能成为一种高效便捷修复地下水重金属污染的新技术。然而,目前关于地下水中重金属离子对磁铁矿原位形成的影响,以及对磁铁矿去除重金属离子效率的作用还不清楚。针对上述问题,本研究通过室内模拟简化的地下水环境,借助X-射线衍射(XRD)、穆斯堡尔(Mossbauer)谱、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-OES)等分析技术,重点讨论了三种代表性的重金属离子Cu2+、Cd2+和Pb2+对磁铁矿的形成和矿物样品吸附能力的影响。研究结果将有利于我们更好地认识地下水环境中铁矿物的转化途径及其影响因素,同时也为提高磁铁矿形成含量,并进一步优化原位形成磁铁矿修复技术提供科学依据。获得的主要结果如下:(1)铁矿物固定重金属离子的方式铁矿物可以通过晶格替代和表面吸附去除水溶液中的重金属离子,本研究利用XRD、Mossbauer谱和ICP-OES等多种分析技术,探究了重金属离子在磁铁矿原位形成过程中的去除方式。在近中性pH条件下,本文采用共沉淀的磁铁矿合成工艺,在Fe:Me=100:1及10:1(Me=Cu、Cd或Pb)的条件下合成矿物样品。对合成的矿物沉淀进行水洗,得到初始矿物;通过酸洗、水洗和磁选等分离过程去除矿物沉淀中非晶相矿物和表面吸附的离子,得到结晶性矿物样品。在室内通过化学消解和ICP-OES分析测定,对比分析不同合成条件下的结晶性铁矿物样品的元素组成。结果表明,水溶液中的Cu2+、Cd2+和Pb2+均可进入铁矿物结构中,而且进入矿物结构的量与溶液中重金属离子浓度呈显著正相关。Mossbauer谱的超精细磁场分布也证明了铁矿物结构中掺入了重金属离子。因为Cu、Cd与Fe原子半径较为接近,所以溶液中Cu2+和Cd2+可以进入铁矿物结构中;而Pb2+可能主要是吸附在铁矿物的缺陷中或者通过结构掺入而进入铁矿物结构中。对比分析分离前后的初始矿物和结晶性矿物样品中元素组成,发现Fe:Cu(Pb)比值变化大,说明Cu2+或Pb2+可以同时被固定在铁矿物表面和晶格中,且以表面吸附为主,而Fe:Cd比变化很小,表明Cd2+主要被固定在铁矿物晶格中。(2)重金属离子对铁矿物物相组成和形貌的影响利用XRD、Mossbauer谱、SEM-EDS、磁化率和比表面积测量等方法对合成的矿物样品进行了表征分析,结果表明中性pH条件造成合成的铁矿物样品结晶性较差,并且得到的磁铁矿含量低。对比分析有/无重金属条件下合成的铁矿物物相组成,发现重金属离子通过进入铁矿物结构中对结晶性铁矿物的形成产生抑制作用;重金属离子对铁矿物的表面亲和力决定了最终铁矿物的矿物组成和形貌特征,当重金属离子与铁矿物的表面亲和力比Fe2+强,就会抑制磁铁矿等结晶性矿物生长,而表面亲和力低于Fe2+的重金属离子在此方面没有明显的作用。(3)重金属离子对铁矿物吸附容量的影响利用分离后的结晶性矿物样品进行等温吸附实验,并借助ICP-OES分析技术,探究重金属离子对合成的矿物样品吸附容量的影响。对比不同铁矿物的吸附容量,发现共存的重金属离子降低了铁矿物的吸附容量。其原因可能是因为表面吸附能力强的重金属离子会降低铁矿物中磁铁矿含量,进而降低铁矿物样品的吸附容量;另外,重金属离子进入铁矿物晶格中将导致铁矿物的零电荷点(pHpzc)升高,进而降低铁矿物对重金属阳离子的吸附容量。