我国西南喀斯特地区存在大量的磷矿和锑矿，且与喀斯特特殊地质背景叠加。与非喀斯特地区不同的是，喀斯特地区具有特殊的地上-地下二元结构，地下水与地表水交互非常频繁。磷和锑一旦进入地下水，它们能在地下裂隙和管道介质中长距离迁移，造成污染强烈扩散。据报道，西南喀斯特磷石膏污染地下水磷酸根的含量高达35-8600 mg/L，迁移距离高达10公里。另外，我国是世界上锑最主要生产国，锑矿周边地下水锑（三价锑）的含量高达0.02-13 mg/L，具有迁移速率快等特征。磷和锑均为含氧阴离子，它们具有类似的化学性。地球化学研究表明，溶解态磷和锑能与不同铁形态（二价铁和三价铁）形成一系列络合物、共沉淀、矿物颗粒，从而固定磷和锑。目前针对水中磷和锑的治理方法主要包括吸附、混凝/絮凝、电化学和膜分离等。其中，电化学技术因操作简单、效率高、绿色可持续等优点受到广泛关注。然而，目前的电化学技术主要关注地表水中磷和锑的吸附去除，缺少针对地下水中磷和锑的化学转化去除及回收研究。

基于此，本论文将铁地球化学理论和电化学技术耦合，构建新型铁电化学体系。通过调控电流大小和改变电极材料，体系能自动产生不同铁形态，如溶解态二价铁、吸附态二价铁、纤铁矿、磁铁矿等。根据磷和锑与铁的地球化学动力学和热力学机理认识，本研究假设（1）铁电化学体系原位产生的溶解态二价铁能与磷酸根形成共沉淀；（2）铁电化学体系原位产生的吸附态二价铁能还原三价锑并形成含锑氧化物沉淀；（3）上述沉淀容易从电化学体系中回收。为验证上述科学假设，本文在实验室尺度构建了铁电化学体系，通过对铁电化学反应过程中各参数的调控，分别研究地下水磷和锑的去除及回收机理。得到的主要结论如下：

（1）构建了缺氧铁电化学体系（阴阳极均为廉价铁电极），该体系能原位产生溶解态二价铁，高效去除模拟水中高浓度磷酸根（1000 mg/L），并能同时自动调节体系的溶解氧和pH。研究发现，在最优条件（电流=2000 mA、初始pH=2）下，1000 mg/L磷酸根在39 min 去除率达98.38%以上，反应后溶液pH增至6，DO降至0.2 mg/L，此条件有利于磷去除。钙离子（Ca2+，0-500 mg/L）和镁离子（Mg2+，0-400 mg/L）对总磷的去除有轻微促进作用，而氟离子（F-）在较低浓度（<200 mg/L）对总磷去除无影响，但较高F-浓度（200-300 mg/L）轻微抑制磷去除。实际水动力学研究表明，实际地下水磷的去除动力学速率是模拟地下水的2.34倍。实际地下水在反应过程中溶解氧较模拟水下降更快，pH上升更快，这些有利于磷的去除。
（2）缺氧铁电化学体系还能高效回收磷酸根为蓝铁矿。采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射（XRD）和球差透射电镜（Cs-STEM）对模拟水和实际水磷去除最佳时刻所得的固体沉淀进行表征，结果表明生成的固体沉淀为结晶度和纯度较高的蓝铁矿。沉降动力学实验和断电-氧化动力学进一步表明该体系能有效回收蓝铁矿。沉降实验表明蓝铁矿沉降速率非常快，有利于固体回收。当断开电源，体系进入有氧阶段后，体系仍维持了20小时的厌氧环境，期间并未发现磷释放，这为蓝铁矿的分离提纯等后续操作创造了有利条件。
（3）构建了铁阴极体系（阳极为铂，阴极为纳米阵列结构铁氧化物NA-FeOOH），该体系能原位产生吸附态二价铁还原去除及固定模拟地下水中三价锑。研究发现，电流大小对含锑模拟水（20 mg/L）中总锑的去除速率和总去除率无显著影响（60 min最高去除率为89.17%），但对反应过程锑形态分布影响显著。例如，10 mA电流条件下，60 min反应后形成的零价锑（Sb0）占总锑的比例为25.69%。NA-FeOOH阴极体系对实际含锑地下水中锑具有高去除效率，30 min去除率高达94.32%，是模拟地下水对应时刻的1.37倍。然而，反应过程中未检测到Sb0的生成，可能的原因为，实际水中存在氧化还原电位高于三价锑（Sb(Ⅲ)）（-0.61V vs RHE）的组分（如NO3-，+0.96 V vs RHE）。
（4）水化学淬灭实验和XPS表征结果证明原子氢（H*）和吸附态Fe(II)对锑的还原起主导作用。进一步比较了NA-FeOOH、碳布、钛网和铁片等四种阴极材料对锑去除率的大小，发现四种材料的排序依次为NA-FeOOH＞钛网＞碳布＞铁片。NA-FeOOH在循环使用中表现较为稳定，5次使用效率降低小于27.65%。经估算，在最优条件（10 mA、20 mg/L、60 min）下，89.17%锑去除率的能耗低至0.03 kWh g−1。
本论文将铁-磷/铁-锑的地球化学过程和电化学水处理工艺有机结合，通过地球化学、环境工程、地下水等学科交叉，聚焦喀斯特地下水中典型含氧阴离子磷和锑的去除及回收，发现铁电化学体系产生的二价铁能有效去除磷和锑酸根离子，并回收高附加值的蓝铁矿和金属锑。研究成果为喀斯特地下水中含氧阴离子的高效去除及回收提供了新技术。