粘土矿物在环境中的应用

粘土矿物在环境中的应用刘龙涛1，崔丹21中国矿业大学（北京）资源学院（100083）2陕西师范大学旅环院（710062）E-mail：wfhtllt@摘要：随着科学技术的不断发展，人们在享受科技成果的同时，也造成了对自身生存环境的污染。

许多化学污染物以多种途径进入环境，工业和生活废弃物的排放日益增多，造成土壤、水体和大气污染，严重影响着生态系统的安全，对人类与生态环境产生了直接或潜在的危害。

随着工农业生产的飞速发展和人口急剧膨胀，人类活动与自然资源和环境之间的矛盾日益加剧，合理利用矿产资源和有效控制环境污染已是实现社会可持续发展的战略问题。

目前，对于环境污染，人们已经研究出多种物理、化学和生物的方法来转移这些污染物。

由于粘土矿物价格便宜且具有机械稳定性，多孔隙率、多种表面和结构、分散悬浮性、离子交换性、吸附性等，故用颗粒细小的粘土矿物及改性粘土矿物来转移污染物已经成为人们研究的热点。

关键词：粘土矿物 环境保护 构造特征1． 引言近几年，粘土矿物在环保方面的应用越来越广泛，在污水处理、大气吸附、过滤脱色等方面的应用水平不断提高;在生态建材(如具有保温、隔热、吸音、调光等功能的建材)、杀菌、消毒剂等方面都有新的应用技术和产品[22-23]。

加强环境保护、改善生态平衡已成为当务之急。

2. 粘土矿物的结构特征概述粘土矿物是颗粒细小(＜0.1mm)的含水层状结构硅酸盐矿物，其结构单元层是由Si-O四面体片与Al-O八面体片按不同的规律连结起来而构成，按其连接方式的不同把粘土矿物划分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石等.粘土矿物结构单元层内部因发生离子的类质同象置换，比如四面体中Si4+被Al3+置换，八面体中Al3+被Fe2+、Mg2+置换，从而使其单元层表面具有电性.此外，粘土矿物颗粒细小，比表面积大，因而，粘土矿物会表现吸附性、离子变换性、胶体性、分散性和催化性，这些特性在环境污染处理中具有十分重要意义.在粘土矿物中，硅、铝、氧是其中最主要的元素。

在这些粘土矿物中，硅和氧结合生成硅氧四面体，铝和氧结合生成了铝氧八面体，其中硅氧四面体分布在同一个平面内，彼此以3个角顶相连，从而形成二维延展的网层即四面体片。

同样，铝氧八面体共用边角形成了八面体.这些硅氧四面体片和铝氧八面体片又共用氧原子，将不同的片结合在一起.形成层状结-1- 构。

粘土矿物[1]除少数为非晶质外，大多数是由按四面体配位阳离子(Si4+，A13+，Fe3+)和按八面体配位阳离子(A13+，Fe3+，Fe2+，Mg2+)组成层状或链状的硅酸盐化合物。

层状硅酸盐的基本结构单元是硅氧四面体层和水镁石层或三水铝石八面体层。

粘土矿物可分为高岭石类、蒙脱石类及云母类等。

高岭石为1:1型结构，基本式为Si4Al4O10(OH)8，各单元层间距小，小分子或阳离子很少有机会进入层际空隙中，故层际通常不发生离子交换，而是在粘土的表面和边、角发生。

蒙脱石类和云母类粘土均为2:1型结构，其基本式为Si3Al4O20(OH)4·nH2o，由于同晶置换，这两种类型的粘土矿的离子交换除在层面的边、角上发生，更多是由于层际间的阳离子交换而形成。

3. 目前粘土矿物在环境中的应用领域目前，粘土矿物在环境方面的应用主要是利用了粘土矿物的物理性质：较大表面积，吸附性能好。

主要应用在无水处理（有机、无机）、土壤净化、大气净化、核废料处理等方面 （1） 污水处理方面粘土矿物在水污染治理，主要用于对生活和化工用水过滤、重金属离子从Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+等的去除，印染废水(阳离子染色分子)和有机污染物的吸附以及阴离子PO43-、SO42-去除。

在去除重金属离子研究中表明：在用三种不同的粘土对Pb2+进行吸附[4]时发现蒙脱石对Pb2+的吸附效果最好，且pH高有利于粘土对Pb2+的吸附。

用活化后的凹凸棒石粘土处理铀[5]，采用动态法(交换柱)处理含铀废水，效果良好，铀的去除率在99.95%以上。

用膨润土基多孔材料对红色染料进行脱色[7]具有良好的脱色效果。

粘土矿物应用于有机工业废水的净化具有吸附效率高，价格低、无腐蚀性、操作简便、且二次污染少等特点。

膨润土等粘土矿物经过适当的有机改性，可用来处理含有机物废水。

膨润土、硅石、凹凸棒石、海泡石等粘土矿物可直接利用或经过适当的活化改性处理，也可用来处理含重金属离子废水，获得了较好的效果[16-18]。

此外，用海泡石、凹凸棒石等经适当预处理后，以吸附与离子交换法降氟除磷具有占地面积小、工艺简单、操作方便、高效快速、无二次污染、适用范围广而倍受人们关注。

同时有利于降低废水处理成本，减少污泥产生量，重复利用资源[19-20]。

（2） 土壤净化在土壤中粘土矿物的作用主要是粘土矿物对土壤的自净作用。

土壤的主要污染物分有机物与无机物两大类。

无机物包括重金属和放射性物质，有机物主要是有机农药、有机洗涤剂及工业废水中的酚等。

在一定的污染浓度范围内，土壤可以通过稀释、扩散挥发，氧化还原反应及络合作用、离子交换和吸附作用而实现自净。

土壤自净功能是土壤各种组分及结构综合作用的体现，粘土矿物在土壤自净过程中起了很重要的作-2- 用，因为粘土矿物是土壤胶体的主体，土壤胶体的自净作用在某种程度上是粘土矿物性质的体现。

当有毒物质进入土壤后，土壤胶体首先吸附带相反电荷的离子或络合物，如金属离子或化学农药，使污染物质的活性和扩散性大大减弱。

其次粘土矿物层内表面不仅可吸附交换性离子，还可以把一些有毒的阳离子吸持在层间的晶格结构内而成为固定离子，消除了污染物的毒害。

（3） 大气净化方面蒙脱石、海泡石、坡缕石及高岭石等，因比表面积大、吸附性强，作为吸附过滤材料广泛应用于空气污染的净化[8，9，10]这些矿物经简单的处理之后，即可用于臭气、毒气及有害气体如NO x 、SO x、H2S等的吸附过滤。

现已成功地用其迅速、有效的去除与腐烂变质物臭气有关的1 .4-丁二胺和1 .5-戊二胺以及包含排泄物臭气中的吲哚、丁烷一类气体。

实验证明，在含氨为1 00×106/m3气体中放置40个海泡石，可使氨的浓度降至18×106。

Sugiura M 等尝试将海泡石用于控制农场环境中氨的浓度[11];崔国治等研制的海泡石除臭剂，能迅速地吸附除去空气中的氨有机胺及SO2气体，吸附指标高于活性碳及单纯的有机化合物吸附剂[12];而日本研制的海泡石酸吸附剂对环境中的有害酸性气体有很好的吸附效果[13]。

（4） 核废料处理方面粘土矿物由于具有很强的吸附性，尤其是改性后的粘土矿物（如膨润土，凹凸棒石等）。

粘土矿物在核废料的处理方面起了很重要的作用。

粘土矿物在处理核废料过程中，主要是采用物理吸附和化学吸附两种方法。

在物理吸附方面，主要是利用粘土矿物粒子之间的范德华力作用，而且粘土颗粒越细，比表面积越大，吸附能力也越强。

粘土矿物对核废料的化学吸附主要是因为粘土矿物有吸附某些阴离子和阳离子，并把这些离子保持变换状态的能力。

交换的离子吸着于矿物多面体层的外围或层间，一般不影响多面体层内部结构，如蒙脱石类及坡缕石类矿物。

粘土矿物在核废料方面的应用主要体现在以下几点：第一：粘土矿物在放射性废水处理中的应用[2]。

第二：粘土矿物在核废液固化中的应用。

第三：粘土矿物在核废物处理中作为回填材料的应用。

瑞典[3]的一项研究表明，不同的膨润土、石英砂配比混合物在100MPa下成型的材料具有极低的渗透性(渗透系数10 4m/S)，可有效阻滞水分运移和核素迁移。

由于粘土矿物本身强度低，一般不直接作为固化材料，而是作为核废料回填材料或其他材料一起按一定比例配合后制成易加工处理。

粘土矿物资源丰富经济易得，故在处理核废料的应用方面发展前景非常广阔（5）粘土矿物在其他方面的应用○1过滤清除放射性气体及尘埃。

坡缕石、海泡石、蒙脱石等用作阳离子交换剂净化被放射性污染的水体，也可用作危险废物的稳定剂，对放射性物质永久性吸 附固化以及机房中-3- 静电子的吸收等方面。

○2以膨润土等为主要原料可生产人工合成沸石，用来代替传统洗涤剂中的三聚磷酸钠，可大大减少洗涤废水中残余磷对环境的污染。

○3蒙脱石、海泡石、坡缕石等现已广泛用于油污废塑料、城市垃圾等处理，阻止无机或有机有害污染物的迁移等。

目前人类所面临的又一个重要的挑战就是开发新型抗菌剂，消除细菌危害，改善生存环境。

虽然，近年来粘土矿物载体无机抗菌剂的研究己得到了很大的发展，研制成功了一系列银系粘土矿物载体无机抗菌剂，但是，仍然存在着品种较少（主要为银离子)、安全性银的含量超标、功能单一、黑化等问题[21]。

因而，其发展趋势为:①由目前的单一功能的无机抗菌剂开发具有多功能的无机抗菌剂。

②开发银与其他金属离子的复合抗菌剂，以进一步提高抗菌效果和防止黑化现象的发生。

③要加强研究无机抗菌剂的二次污染效果问题。

④在粘土矿物领域，不断发展新的无机抗菌剂载体，大致可采取下列两种途径，一种是以天然的粘土矿物代替人工合成的沸石、磷酸盐等载体:另一种是减小载体的力度，提高载体的比表面积，即采用超细级或纳米级载体。

4． 粘土矿物在环境中的发展前景国外对粘土矿物在水质处理中的应用研究较早，尤其是近二三十年来，许多研究成果已用于实际水体污染处理，并取得了良好的应用效果[15].比如，用天然粘土制作回填衬层来净化废水，用粘土矿物(经处理后的蒙脱石、硅石、高岭石等)处理污水中有机污染物和金属离子。

近十几年来，我国在粘土矿物的改性、有机复合以及在环境保护中的应用研究方面都进行了大量的试验研究，也取得了很重要的研究成果。

由于粘土矿物的资源丰富，价格便宜，被越来越多的应用于环境保护中。

目前，用于污水处理的主要是膨润土、凹凸棒石、坡缕石、海泡石、硅藻土等几种，海泡石更多的是应用在催化方面，粘土矿物在环境保护中还有其它的用途，如空气净化土壤的净化，地下水的修复[6]等，因此对粘土矿物应用的研究还有更大的发展前景。

5. 结语粘土矿物由于其自身优越的物理和化学特征，使其在环境科学中得到了广泛应用。

同时粘土矿物所具有的良好环境属性日益受到国内外研究人员的重视。

对粘土矿物的微形貌、微结构、化学组成、物理性质、成因及其共生组合等方面特征的研究在土壤、河流、湖泊、海洋和大气等环境演变规律的探索中发挥了重要的作用。

粘土矿物所特有的结构特征和吸附性能，在环境污染的防治中也发挥着重要的作用。

相信随着人们对全球环境质量的不断重视和-4- 研究手段的改进与研究水平的提高，粘土矿物所能揭示的环境演变信息的数量与质量必将逐渐增多和增强，粘土矿物在环境演变和环境治理中的应用前景将更加广阔。

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