环境化学(黏土矿物材料与环境修复)

黏土矿物材料与环境修复
摘要：
黏土矿物材料、赤潮、水体污染、大气污染、放射性污染、环境替代材料人类应用黏土的历史源远流长，早在新石器时代就开始利用黏土作为烧制各种陶器和砖瓦的原料。

而人们有意识地研究黏土则始于20世纪初。

在X射线衍射技术诞生以前，人们并不知道黏土的真实本质。

黏土科学作为一门21世纪人类将会迎来一个“新石器时代”，人类对非金属矿产的需求将大大超过对金属矿产的需求。

黏土矿物在人们的生产领域将会扮演越来越重要的角色。

黏土矿物广泛存在于各种地质体中，特殊的晶体结构赋予黏土矿物许多特性，例如脱水、复水性能，膨胀和收缩性能、可塑性能、离子交换性能等。

黏土矿物的粒级又属胶体范围，高的比表面积和表面双电层结构使其具有胶体的特性。

在本质上，黏土矿物属热力学不稳定系统。

天然黏土矿物大都具有某种活性，这种活性正是晶体结构和胶体性质的反映。

黏土矿物材料治理赤潮污染
赤潮是指由海洋环境条件的改变，促使某些浮游的藻类生物爆发性的繁殖而引起的异常现象。

主要发生在近海域。

关于赤潮发生的原因虽然尚未完全查明，但根据有关报道看来，科学家们在这一问题上已取得基本一致的共识，认为基本有三条：
1、水域化学因素的变化，是由于城市生活用水、工业废水的大量倾入，使内弯和浅海区无机态氨、磷酸盐和铁、锰等微量元素增加，为赤潮生物的大量繁殖提供了丰富的营养物质；
2、由于水温和盐度的变化，一般为20~33℃的水域中，赤潮水域的盐度一般为27%~37%；
3、气象条件的变化，通常赤潮出现在闷热、风平浪静的夏季。

一般认为，赤潮是生物、营养物质、地理条件、海流等各种因素综合作用的结果。

近几年来，有害赤潮对沿海经济产生的危害明显增大，其主要原因是：
1、有害赤潮发生面积增加，有些有害赤潮发生面积可达几千平方公里；
2、有害赤潮发生时间增长，有时可持续数十天，甚至几个月；
3、有害赤潮出现的几率增多，在赤潮生物密度不太高的情况下就会对海洋生物甚至是人类本身产生毒害作用。

所以，“九五”期间由有害赤潮造成的经济损失，特别是渔业损失惨重。

治理有害赤潮的方法通常可以归纳为以下几种：
1、化学灭杀法。

主要利用一些化学药物，如硫酸铜、过氧化氢、某些天然化合物等来抑制或杀死赤潮生物，该方法由于所用药品的二次污染或成本高等原因难以推广应用。

1、利用物理方法和手段，分离或杀死赤潮生物。

诸如围隔法、超声波法、紫外线法等，由于此类方法难以应用于较大面积的有害赤潮防治，所以在实际应用中受到限制。

2、利用不同生物间相克相争性质的生物控制法。

3、天然矿物絮凝法。

该方法是利用天然矿物的吸附性质，絮凝赤潮生物，控制有害赤潮的发生。

基于我们长期从事黏土矿物学研究的基础，我们认为，用黏土治理赤潮是一种切实可行的措施。

这是因为，黏土矿物广泛存在于各种地质体中。

特殊的晶体结构赋予黏土矿物许多特性，例如吸水和脱水性能等。

由于黏土具有高的比表面积，天然黏土矿物大都具有某种活性。

黏土矿物的粒级又属胶体范围，高的比面积和表面双电层结构，使其具有胶体的特性。

黏土矿物治理赤潮的作用在于：（1、）黏土矿物具有大的比表面积和很强的吸附固体、气体、液体及溶于液体中的物质的能力，因而可以将水体中过剩的营养物质，如N、+3+2+
P、NH
4、Fe、Mn等吸附在黏土矿物的表面上，贫化海水，破坏赤潮海藻赖以生存、繁殖的物质基础；（
2、）黏土矿物的粒子也可以附着于藻体的内外表面上，当这些粒子沉积得很多的时候，藻体也就难以生存而死亡。

在我们对硅藻土矿床的研究中发现，硅藻遗体总是与一些黏土矿物，如高岭土、蒙脱石和伊利石等密切共生，且雷州半岛硅藻土矿床产于第四纪中更新世至晚更新世中期的沉积地层田洋组中。

而田洋组岩性实际为具有不同硅藻含量的黏土层，包括硅藻土、含黏土硅藻土、黏土质硅藻土、硅藻黏土夹蒙脱石黏土、蒙脱石高岭石黏土、凝灰岩黏土及玄武质火山尘等土层。

它们均属于破火山口和火山构造洼地湖泊相堆积。

除了它们都同属于细粒物质，大体由水中同时沉淀外，从一个侧面说明，水中过多的黏土含量不适合于硅藻生存，因而才死亡，沉积为硅藻土矿床。

因此，采取适当的方法喷洒经火化处理后的黏土，可以对治理赤潮起到积极的作用。

并且也是当前比较经济而又合用的治理方法。

由于天然矿物具有来源广、成本低、操作方便、无二次污染等特点，此法在国际上受到广泛关注和研究，已经在日本、韩国等国家推广使用。

但天然矿物的絮凝能力较低，在使用时存在用量大、淤渣多等缺点，为此，余志明等提出了黏土矿物表面改性方法并研制出具有高絮凝能力的表面改性黏土，大大提高了该法的应用价值。

黏土矿物材料在环境修复中的应用前景展望
一、黏土矿物对水体污染治理的研究（1、）处理水中的有机污染物
天然黏土矿物中存在大量可交换的亲水性无机阳离子，但实际黏土表面通常存在一层薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有机污染物。

采用某种有机阳离子，通过离子交换，把黏土矿物中原先存在的无机阳离子置换出来，使其成为疏水性有机黏土，可增强七去除水中疏水性有机污染物的能力。

近年来国内外在这方面开展了大量研究：
利用季铵盐等阳离子表面活性剂与钠型蒙脱石作用，经过离子交换将体积较大的有机正离子引入层间形成大孔洞材料——有机蒙脱石，再通过离子交换作用和表面活性剂脂肪链的萃取作用来吸附有害的有机污染物。

有机蒙脱石可以对低浓度非离子型或离子型有机污染物进行有效去除。

（2、）处理水中的离子型化合物
离子型化合物一般在水中的溶解度较高，在土壤中极易迁移并污染地下水。

黏土矿物表面上存在大量的Si-OH、Al-OH等基团，通过适当的化学处理可
使其质子化或者解离，用于吸附处理水中的阴离子污染物。

如HDTMA蒙脱石可有效去除五氯苯酚等阴离子。

二、大气污染
蒙脱石、海泡石、坡缕石及高岭土等，因吸附性强，作为吸附过滤材料广泛应用于大气污染的净化。

它们经简单的处理之后，即可用于臭气、毒气及有害气体如NO
x、H
2S等的吸附-6-6。

过滤。

实验证明，在含氨为100×10气体中放置40g海泡石，可使氨的浓度降至18×10
三、放射性污染
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，过滤清除放射性气体及尘埃，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，以及机房中静电子（软X射线）的吸收等方面。

四、环境替代材料
石棉曾被作为摩擦、密封、过滤和吸附材料用于化工、冶金、军事等领域。

但一个时期以来的研究证明，石棉对身体健康有着相当大的影响。

石棉微粉吸入体内，可导致严重的矽肺、肺癌等肺部、胸腔恶疾。

而海泡石、坡缕石以其独特的物质化性能及长纤维结构特征可作为理想的石棉替代品，被广泛用作摩擦材料、密封材料等，很大程度上缓解了由于大量使用石棉制品对人体健康造成的威胁和损害。

利用黏土矿物生产建筑材料用于保温隔热、隔音等。

如用黏土烧纸的人工轻质骨料，具有质轻、高强、吸水率低等特点，既可减轻建筑物自重，又可提高建筑物强度。

一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。

此外，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。

环境保护是21世纪人类所面临的共同课题，全球性研究、开发环境材料的热潮方兴未艾。

随着科学技术的发展，基于超纯、超细和功能化等研究的不断深入，黏土矿物材料在环境修复、环境净化和环境替代等方面必将具有广阔的应用前景。