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重金属离子和放射性核素在天然环境中的微观结构和化学形态直接影响到其在环境中的迁移转化、毒性、生物有效性等行为。因此，研究重金属离子和放射性核素在固/水界面的吸附热力学、动力学以及微观结构变化规律，对评价和分析重金属离子和放射性核素在环境中的物理化学行为有重要意义。本论文结合静态法和扩展X射线吸收精细结构光谱(Extended X-ray absorption fine structure，EXAFS)，选取几种典型的的颗粒物，以Ni为重金属离子代表，研究了其在硅藻土/水界面的吸附和微观结构；以Eu为放射性核素代表，研究了其在高庙子膨润土/水、钛酸纳米管/水、氧化锰/水界面的吸附和微观结构。
论文主要结果和创新性如下：
(1)以硅藻土为典型粘土矿物，研究Ni(Ⅱ)的作用机理和微观结构，在低pH下，吸附与离子强度相关，形成了外层络合物；在高pH下，吸附不受离子强度影响，形成了内层络合物或表面沉淀。EXAFS光谱分析表明，时间对Ni(Ⅱ)的吸附影响明显，呈现出两种不同机理：在起初阶段，Ni(Ⅱ)主要通过形成内层络合物被吸附；随着接触时间增加，Ni(Ⅱ)形成镍页硅酸盐共沉淀或者氢氧化镍沉淀；在浓度较高的情况下，Ni(Ⅱ)在硅藻土表面形成表面多聚体。
(2)以高庙子膨润土为另一种典型粘土矿物，研究Eu(Ⅲ)的作用机理和微观结构，Eu(Ⅲ)吸附受体系pH影响明显，主要形成了外层、内层表面络合物。当pH<3.0时，胡敏酸(Humic acid，HA)对Eu(Ⅲ)吸附没有明显的影响，而当pH>3.0时，HA的存在明显降低了Eu(Ⅲ)吸附。XANES光谱分析结果表明，当pH=4.2时，Eu(Ⅲ)以Eu3+离子的形态吸附在膨润土上，对Eu(Ⅲ)在膨润土和HA-膨润土吸附样品的EXAFS光谱进行分析，得到第一配位层的键长分别为～2.39 A和～2.37A，表明Eu(Ⅲ)在高庙子膨润土上的微观结构受HA影响。
(3)以钛酸纳米管为典型纳米材料，研究Eu(Ⅲ)的作用机理和微观结构，Eu(Ⅲ)在钛酸纳米管表面存在着多种吸附作用，作用机理随时间、pH和富啡酸(Fulvic acid，FA)与胡敏酸(Humic acid，HA)等水化学条件的变化而改变。在低pH下，Eu(Ⅲ)在钛酸纳米管表面形成外层络合物；在中性pH下，Eu(Ⅲ)在钛酸纳米管表面形成内层络合物；在碱性pH下，Eu(Ⅲ)在钛酸纳米管表面同时形成内层络合物和表面多聚体或沉淀；在HA/FA存在下，Eu(Ⅲ)既可与钛酸纳米管的表面羟基直接发生键合作用而形成二元表面络合物(Eu-钛酸纳米管)，还可通过HA/FA的桥连键合作用而形成三元表面络合物(Eu-HA/FA-钛酸纳米管)。
(4)以氧化锰为典型氧化物矿物，研究Eu(Ⅲ)的作用机理和微观结构，随着水化学条件改变，Eu(Ⅲ)在氧化锰表面的微观结构没有发生变化，都形成内层吸附产物。EXAFS光谱分析显示，角-角结合单齿形态和角-角结合双齿形态的Eu-Mn之间的理论键长(REu-Mn)比EXAFS光谱分析得到的键长要长，而面-面结合三齿形态的Eu-Mn之间的理论键长比EXAFS光谱分析得到的键长要短，只有边-边结合双齿形态的Eu-Mn之间的理论键长与EXAFS光谱分析得到的键长基本一致。Eu(Ⅲ)在氧化锰上吸附的微观形态为边-边结合双齿形态。
本论文的研究结果对从分子水平上揭示重金属离子Ni(Ⅱ)和放射性核素Eu(Ⅲ)与天然粘土矿物、氧化物和常见纳米材料等颗粒物/水之间的界面作用机理有重要的参考意义，对阐明重金属离子和放射性核素在固相颗粒物/水界面的吸附作用过程也有一定的指导意义，为重金属离子和放射性核素进行危害评估以及有效治理提供了有关的理论基础和数据支持。