氧化铁和层状硅酸盐矿物是表生环境中常见的黏土矿物,它们常通过一定的作用力相互胶结形成复合物。氧化铁-硅酸盐矿物复合物是土壤的重要组分和物质基础,它们对土壤中重金属、有机物等污染物质迁移转化以及土壤团聚体的结构和性质均有显著影响。本文以Fe(Ⅱ)为添加剂,研究有层状硅酸盐矿物存在时形成晶质氧化铁的可能性及其影响因素,以期明确晶质氧化铁-硅酸盐矿物复合物的形成与转化过程。通过控制反应条件,制备了不同的晶质氧化铁-硅酸盐矿物复合物,同时也制备了对应的晶质氧化铁-硅酸盐矿物混合物。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS)、透射电镜(TEM)、红外光谱(IR)、比表面积和孔径分析、核磁共振波谱(NMR)等技术,对比研究了晶质氧化铁-硅酸盐矿物复合物和混合物的微观结构和交互作用机制。利用质子电位滴定分析了样品的表面电荷性质,通过平衡吸附实验研究了样品悬浮液对锌离子、磷酸根和胡敏酸的等温吸附特性。取得的主要结果有：1、在合成针铁矿和赤铁矿的反应体系中(Fe(Ⅲ)体系),高岭石或蒙脱石的存在均可明显抑制晶质氧化铁的形成。在Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)总浓度为0.05 mol/L的悬浮液中(Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)体系),当Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的摩尔比R≥0.02时,Fe(Ⅱ)可加速不同晶质氧化铁的形成；在R=0.04、初始pH 6和60℃时,可形成结晶良好的针铁矿；在R=0.04、初始pH 7、80℃、反应24 h时产物为纯的赤铁矿；当R=0.5和初始pH 7时,可快速形成磁铁矿。2、在Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和硅酸盐矿物体系中,晶质氧化铁的形成既受硅酸盐矿物的抑制又受Fe(Ⅱ)的促进,两种作用表现为消长关系。在Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和高岭石的悬浮液中(K-Fe(II)-Fe(III)体系),当Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)摩尔比R=0.04-0.06时,Fe(Ⅱ)可加速纤铁矿、针铁矿、赤铁矿-高岭石复合物的形成；当R≥0.1时,可快速形成磁铁矿-高岭石复合物。在温度50-60和初始pH 5-6条件下,Fe(Ⅱ)可加速纤铁矿、针铁矿-高岭石复合物形成；温度80℃和初始pH 7时,可加速赤铁矿-高岭石复合物形成；温度60℃和初始pH 9时,则形成了磁铁矿-高岭石复合物。在Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和蒙脱石的悬浮液中(Mt-Fe(II)-Fe(III)体系),不同的晶质氧化铁-蒙脱石复合物可在R≥0.04、初始pH≥6和温度≥50℃条件下分别形成；当R=0.06、初始pH 6-7和60℃时,产物为针铁矿-蒙脱石复合物；R=0.06、初始pH 7和100℃时,产物中的氧化铁为结晶良好的赤铁矿；当R=0.06、初始pH 9或R=0.5、初始pH 7时,可形成磁铁矿-蒙脱石复合物。3、在不同反应体系中,晶质氧化铁的形貌特征有明显差异。Fe(Ⅲ)体系中形成的针铁矿呈长针状,赤铁矿为球状颗粒物。Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)体系中形成的纤铁矿为几百纳米到几微米的板状形态,针铁矿为长度200-500 nm间的短棒状和棱柱状形态,赤铁矿为粒径100-300 nm的球状颗粒。K-Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)体系中形成的纤铁矿为500 nm左右的长条状,针铁矿为100-200 nm的短棒状体,赤铁矿为100 nm左右的菱形块状体。Mt-Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ)体系中形成的针铁矿为100 nm左右的短棒状形态,赤铁矿为约50 nm左右的微小球形颗粒。可见,Fe(Ⅱ)和硅酸盐矿物不仅影响氧化铁矿物的形貌,还可改变晶质氧化铁的颗粒尺寸。4、与纯氧化铁和硅酸盐矿物孔性参数的平均值比较,氧化铁-硅酸盐矿物复合物的孔体积增多、平均孔径减小,而混合物的孔体积和平均孔径没有明显变化；氧化铁-硅酸盐矿物二元体的表面分形度(D)增大,且D混合物>D复合物。相对氧化铁和硅酸盐矿物纯物质而言,氧化铁-硅酸盐矿物二元体中≡Fe-OH的红外振动频率升高,而≡Al-OH、Al-O、Si-O和Fe-O的振动频率降低；硅酸盐矿物与氧化铁胶结后29Si和27Al的化学位移均向正方向移动。根据红外和核磁共振波谱分析的结果推测,晶质氧化铁与硅酸盐矿物间的胶结主要通过硅酸盐矿物表面三Si-O-和≡Al-OH0.5-与氧化铁表面铁羟基(≡Fe-OH)间的阴离子交换、硅酸盐矿物表面O与氧化铁表面Fe间的配位以及氢键和静电引力等作用而实现。5、SEM/EDS和TEM分析显示,氧化铁-硅酸盐矿物复合物中氧化铁较好地包被在硅酸盐矿物表面,而混合物中两固相主要以分离状态存在；针铁矿-硅酸盐矿物复合物中有较多的针铁矿包被在硅酸盐矿物表面,赤铁矿-硅酸盐矿物复合物中裸露的硅酸盐矿物较多；与氧化铁-高岭石二元体比较,氧化铁-蒙脱石二元体中氧化铁矿物在蒙脱石表面的包被更为均一。红外光谱和核磁共振波谱结果表明,氧化铁-硅酸盐矿物复合物中≡Fe-OH、≡Al-OH等主要基团的振动频率和298i、27A1的化学位移的变化量均大于混合物,而且氧化铁-硅酸盐矿物复合物中还有氧化铁表面≡FenOH2(n/2)+(n=1,2,3)与硅酸盐矿物表面≡Al-OH20.5+等Lewis酸间的阳离子交换作用；针铁矿-硅酸盐矿物复合物中这些波谱参数的变化量大于赤铁矿-硅酸盐矿物复合物；氧化铁-蒙脱石复合物中这些波谱参数的变化大于氧化铁-高岭石复合物。氧化铁-硅酸盐矿物复合物中两固相间的交互作用较强,而混合物中两固相间的复合作用较弱；针铁矿与硅酸盐矿物间的交互作用强于赤铁矿与硅酸盐矿物间的交互作用,氧化铁与蒙脱石间的胶结强度大于氧化铁与高岭石间的胶结作用。6、在相同离子强度条件下,四种纯物质的悬浮液从pH 11.0降到pH 3.0时消耗的H+总量表现为针铁矿>蒙脱石>赤铁矿>高岭石。氧化铁-硅酸盐矿物混合物的悬浮液从pH 11.0降到pH 3.0时消耗的H+总量低于对应两种纯物质的平均值；氧化铁-硅酸盐矿物复合物在该pH范围内消耗的H+总量接近两种纯物质的平均值。这说明氧化铁与硅酸盐矿物间的交互作用降低了氧化铁-硅酸盐矿物二元体表面的羟基含量和质子电荷量。针铁矿、赤铁矿、高岭石和蒙脱石四种纯物质的表面质子电荷零点(pHpzc)分别在8.2,8.8,4.1和2.4附近。与纯硅酸盐矿物比较,氧化铁-硅酸盐矿物二元体的pHPZC明显升高,其中复合物的pHpzc高于混合物。7、当悬浮液pH=6时,四种纯物质对锌离子的最大吸附容量(qmax)表现为针铁矿>蒙脱石>赤铁矿>高岭石；pH=5.0时,四种纯物质对磷和胡敏酸的最大吸附容量(qmax)为针铁矿>赤铁矿>蒙脱石>高岭石。四种纯物质的等温吸附数据都适合用一元Langmuir和二元Langmuir方程拟合。与纯氧化铁和硅酸盐矿物吸附容量的平均值比较,高岭石-氧化铁混合物对锌的吸附容量略为增加,蒙脱石-氧化铁混合物对锌的吸附容量没有明显变化；氧化铁-硅酸盐矿物混合物对磷和胡敏酸的吸附容量略为增加：氧化铁-硅酸盐矿物复合物对锌离子、磷酸根和胡敏酸的吸附容量都明显升高。二元Langmuir方程可较好地拟合氧化铁-硅酸盐矿物二元体的等温吸附数据。