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纳米粘土矿物材料在环境治理领域中的应用
摘 要：粘土矿物具有许多优异性能,其中比表面积大、吸附能力强、阳离子交换能力强等特性使粘土矿物作为一种优良的环境材料而成为广大环保工作者所重视和研究的对象。文章对粘土矿物及纳米粘土矿物在污水处理、空气污染处理、土壤净化和固体废弃物处理及其他环境治理方面的应用进行了阐述, 并提出粘土矿物在环境治理研究方面的发展方向。关键词：粘土矿物；纳米粘土；环境治理；
Applications of nano Clay Mineral Materials to Environment Treatment
Abstract: The clay minerals,as a kind of fine environmental remediation materials, attracts researchers 'attentions.Because they have many excellent characteristics, such as high specific surface area, strong adsorption capacity and better cation exchange ability.This paper expounds applications of clay minerals and nano clay minerals that are widely used in the waste water，air pollution controlling,soil sanitation and solid waste treatment Moreover the research and development trend of clay minerals are brought forward.Key words：clay mineral;nano clay mineral;environment treatment;
随着工业文明的迅猛发展，人类对环境的污染和破坏达到了足以威胁自身生存和发展的程度。由于环境污染物的消除需要消耗大量的能源，这给日益枯竭的能源提出严峻的挑战。寻找一种较为廉价的环境净化材料，降低污染物的处理成本，提高净化效率，已成为环境保护中亟待解决的问题。层状粘土矿物的储量丰富、价格低廉，因其独特的层状结构而具有良好的吸附性能和离子交换性能，在废水、废气及土壤净化等众多环境治理领域表现出广阔的应用前景。本文就粘土矿物材料在环境治理领域中的研究和应用情况进行综述。
1.粘土矿物材料与纳米粘土
粘土是一类广泛存在于土壤中的物质, 由于长期处于特定的环境条件下, 粘土矿物具有许多优越的特性，例如巨大的比表面积，良好的吸附性能，较高的吸附容量和离子交换能力，膨胀性、分散性、凝聚性、稠性、粘性、触变性和可塑性, 具有环境修复(如大气、水污染治理等)、环境净化(如杀菌、消毒、分离等)和环境替代(如替代环境负荷大的材料等)功能[2]。粘土中常见的矿物有：高岭石、蒙脱石、凹凸棒石、海泡石、伊利石、绿泥石等硅酸盐类化合物和由硅藻类微生物骨骸紧密堆积而成的硅藻土，以及层状双金属氢氧化物类化合物水滑石等矿物。
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
[1]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，并且，粘土矿物具有吸附性、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[3]。
纳米材料按其结构可以分为四类：具有原子蔟和原子束结构的称为零维纳米材料、具有纤维结构的称为一维纳米材料、具有层状结构的称为二维纳米材料、晶粒尺寸至少三个方向在100nm范围内的称为三维纳米材料，以及以上各种形式的复合材料。层状硅酸盐粘土、金属氧化钒、二硫化钼等可以经过相应的工艺处理制成纳米复合材料，尤其是层状粘土与聚合物纳米杂化复合材料因性能优越、成本较低具有良好的产业化前景而受到广泛的关注[4]。与普通改性材料不同，纳米粒子具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等。将纯化后的粘土插层为纳米粘土后，在聚酯中分散成剥离型的纳米粘土。将粘土的层状特性改性成高比表面积的结构，从而提高了聚酯的力学性能、光学性能、阻隔性能等。目前用于纳米复合材料的粘土主要为膨胀型粘土，包括层间可交换阳离子粘土如膨润土、锂皂石、凹凸棒土、海泡石和可交换阴离子粘土如水滑石等[4]。矿物材料在环境治理领域的应用
自20世纪90年代初日本学者山本良一首先提出环境材料的概念之后，世界各国掀起了开发环境材料的热潮。到目为止，环境材料主要指：可循环利用材料、净化功能材料洁净能源材料、节能型材料。粘土矿物具有多孔、吸附离子交换等优异的物理化学性能，近几年，其在环境材料面的研究与应用越来越多，特别是在污水处理、大气吸附过滤脱色、生态建材(如具有保温、隔热、吸音、调光等能)、抗菌消毒剂、农业等方面的应用都有显著进展
[6-7][5]。
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。主要应用在空气污染处理、污水处理、土壤净化和固体废弃物处理及其他环境治理方面的应用等方面。
2.1污水处理中的应用
随着社会经济的发展，工业废水和生活污水越来越多，严重污染水体，破坏生态环境，威胁人类的健康和生存，为使废水(污水)达到排放标准，人们已研究出了多种处理方法
2.1.1含重金属离子废水处理
SenGupta和Bhattacharyya[8]分别利用聚羟基锆和四丁基衍生物对高岭石和蒙脱石进行改性，用于去除水中的Cd。发现溶液的pH对吸附量的影响较大，而蒙脱石去除效果最佳，蒙脱石的吸附容量为高岭土的3倍以上。沈学优等比较膨润土、高岭土和伊利石对重金属离子Cu、Zn、Cd、Ni。的处理效果。结果表明，膨润土〉高岭土〉伊利石。Alvarez-Ayuso和GarciaSanchez[10]利用钠交换的膨润土和钙交换的膨润土去除溶液中的Cr，吸附容量分别为49.8mg/g和44.4mg/g。吴平霄等
研究了高岭土/胡敏酸形成的有机一无机络合复合体对Cu、Cd和Cr的吸附。结果表明，胡敏酸对高岭土改性后能提高上述3种重金属离子的吸附性能，高岭土/胡敏酸复合体对3种重金属离子的吸附量都随pH值的升高而增加，随离子强度的增加而减小。选用Cu、Cd和Cr的初始浓度均为64mg/L，pH为5，离子介质为0.05mol/l时，高岭土/胡敏酸复合体的吸附量分别为Cu为64%，Cd为55%和Cr为80%。
2.1.2无机非金属废水
范丽珍等[12]选用钙基蒙脱石，经钠化改性后用作氟离子吸附剂，研究表明改性蒙脱石具有很强的吸附氟离子的能力，在pH为5和4时的除氟效果最好。孙承辕等[13]根据凹凸棒粘土的结构特点及较强的吸附能力，对含氟溶液进行了多次除氟实验，取得了明显效果，在F10×10的溶液中，其除氟率可达到50%以上，对除氟改水工作具有很大的应用价值。郑红等[14]研究了用AlCl3包覆后膨润土除氟的性能和适宜条件，在实验条件下，吸附率最高可达96.5%，酸性环境有利于吸附过程进行。马林转等[15]利用稀土元素La及Al聚合羟基离子改性膨润土(La/Al—PILC)，在温度为30℃，PH 3～5，磷质量浓度为6.54mg/L，吸附剂质量浓度为2.5g/L的条件下对磷的去除率能达99%以上。
2.1.3有机废水
AichaKheni等[16]研究发现十六烷基甲基溴化铵(CTAB)改性膨润土对水溶液中2，4一二氯苯酚和具有较好的吸附性能。Hasan Basri Senturk等[17]发现利用CTAB改性膨润土对水溶液中的苯酚也具有很好的吸附效果。武庭瑄等[18]研究了四环素在膨润土和高岭土中的吸附行为，结果表明：膨润土和高岭土对四环素的吸附行为均可用Freudli—ch等温方程描述，但Kf(膨润土)>>Kf高岭土，说明膨润土对四环素吸附能力较高岭土强。裘祖楠等
[19]-6-
5研究了以活化凹凸棒石作主要组分的吸附剂对阳离子染料生产废水的处理效果，脱色率和CODCr去除率可分别达到87.5%～99.8%和45.1%～72.3%，且再生处理简单，非常适用于该类废水的预处理。彭书传等[20]将凹凸棒石有机改性后，用于去除水中的苯酚，在PH为8.0，苯酚浓度为100mg/L，投加量为4%时，去除率可达到88.5%，且吸附剂经再生后可反复使用。
2.2矿物材料在治理空气污染中的应用
大气污染系指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体健康，舒适感或环境。大气污染物按其存在状态可分为气溶胶污染物和气态污染物两大类。其中气态污染物在一定的条件下可转化为气溶胶态污染物，气态污染物包括了以二氧化硫为主的含硫化合物，以氧化氮和二氧化氮为的含氮化合物、碳的氧化物、碳氢化合物及卤素化合物。2.2.1工业废气治理
工业废气是我国大气污染的主要来源，仅建筑材料的生产每年排出废气10.96亿立方米；废水排放量355亿吨；其中水泥、与传统墙体材料等每年排放的CO2量约为6.6亿吨，占全国工业排放CO2量的40%左右。据资料介绍，我国目前每生产一吨水泥熟料要排放1吨CO2、0.74公斤SO2、130公斤粉尘；每生产1吨石灰排放1.18吨CO2。
由于有害气体多为酸酐，大部分能溶于水，因而可用呈碱性的矿物与酸酐发生中和，从而吸收酸酐，达到清除废气的目的。石灰石（方解石）、生石灰、方镁石、水镁石、坡缕石等均属此类矿物材料，如日本用方镁石、水镁石吸收SO2、SO3废气：
MgO+SO2+H2O→MgSO3+H2O Mg(OH)2+SO2+H2O→MgSO3+2H2O Mg(OH)2+SO3+H2O→MgSO3+2H2O 对于不溶于水的酸酐，可先转化为溶于水的酸酐，再用上述方法处理，此外利用粘土矿物，沸石以及改型后的多孔状矿物作吸附剂也可排除有害气体，净化环境。如斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、毛沸石、坡缕石、海泡石、膨润土、高岭石、多孔SiO2、活性Al2O3、白云石、泥炭、硅藻土等。2.2.2城市空气治理
城市空气污染主要来源于汽车尾气的排放，其中包括NOx、金属排放物，如Pb等排放，随着现代大中城市之无铅汽油的使用，由汽车排放的铅金属阳离子的危害大为减少，同时三元催化油的使用与使得汽油的燃烧NOx排放量的显著减少。以青石为主体的三元催化剂载体得到了广泛的应用。青石为环状结构含铝硅酸盐。四面体中存在着[ALO4]对[SiO4]置换以及配位多面体中金属阳离子的类质同像置换，活性强，同时具有极好的高温热稳定性。日本近来利用高温热稳定性好，同时吸附能力强的海泡石制作高效汽车尾气净化器，由于汽车排放气体有害万分主要为NOx，以纳米质多孔石或锐钛石为主要成分的光触媒净化涂料得到广泛应用。2.2.3室内空气污染
短期的空气污染主要表现在甲醛、氨、苯等早期释放强浓度的危害。空气中甲醛（HCHO）超标对人体的危害是非常严重的，并且这种危害具有长期性、潜伏性、隐敝性，严重的会引鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。甲醛可经呼吸道吸入，其溶液“福乐马林”可经消化道吸收。当空气中含量达到30mg/m3时，可导致人当即死亡。氨是冬季混凝土施工外加剂的释放物。国家规定居住区的安全氨浓度为小于0.2 mg/m3。氨浓度过高时，除皮肤腐蚀作用外，还可通过三叉神经末梢的反射作用引起心脏停搏和呼吸停止。氨以气体形式吸入人体肺后，容易通过肺细胞进入血液与血红蛋白结合，破坏运氧功能。
以锐钛矿型纳米TiO2光触媒净化器已有效于应用于室内空气净化，其作用机理为在紫外光照射下，TiO2表面生成空穴（h+）同时生成电子（e-）空穴使H2O氧化，（e-）使空气中的O2还原。
H2O + h+→·OH+H+
O2+ e-→O2-OH基团的氧化能力很强，对有机物以及甲醛、萘、苯酚等进行氧化分解，最终生成CO2和水及NH3·OH。并对病菌及其分泌物毒素均有较强的杀灭和降解作用。以沸石、坡缕石、海泡石多孔结构为载体的载银无机抗菌剂也产生相似的作用和效果。张国生等[21]利用天然凹凸棒石粘土进行深加工研制出凹凸棒石复合分子筛，并用于净化室内空气改善大气环境，对NH3、SO2、NO2等都有较大的吸附容量。张春霞等
用改性海泡石研究了对NH3的吸附，结果表明，改性海泡石的吸附量大于未改性的，也远大于活性炭吸附量。此外，用膨润土、高岭石、凹凸棒石等合成的沸石分子筛对NO2、SO2等气体的吸附也作了许多研究。
2.3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。土壤自净能力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。
2.4固体废弃物处理中的应用
随着工业的发展和城市人口的增长,环境保护已成为世界各国极为关注的主题。目前,在治理“三废”工程中，由于“三废”的成分复杂多样，许多传统工艺和传统材料已不适应，治污处理效果差。固体废物主要指工业废物、矿业废物和城市生活废物等。
目前对于固体废弃物有三种处理方式：即再生利用、焚烧、填埋。
工业废渣多数为可利用的二次资源，如粉煤灰、冶金渣、煤矸石、尾矿等。这些固体废弃物，通过二次加工烧成可制成新型建筑材料如混凝土外加剂用超细矿粉、微晶玻璃等。而另一部分废弃物则须通过填埋式的处理，特别是含放射性元素的固体废弃物。
2.4.1生活垃圾填埋
目前技术条件下，我国生活垃圾的处理主要采用填埋法处理，垃圾填埋场的建造，最关键要求是防止垃圾物、腐植物、重金属离子以及有害有机物质渗入地下水中产生二次污水下渗，从而污染地下水水源，为了达到此点，除了采用无污染、无害的防渗透建筑材料外，还要求在其底部及四周铺垫强吸附层、离子交换性的粘土矿物和隔水性粘土层一层，后者材料主要为膨润土、土状海泡石和坡缕石。
2.4.2放射性固体废弃物的填埋
对于固体废弃物来说，其中最危险的是固体废弃物中含有的放射性元素。但对于固体废弃物中的放射性元素，必须加以屏蔽，而其中的重金属离子及有毒害的有机物分子也必须加以综合处理。对于含放射性元素的固体废弃物可以用矿物材料及改型的矿物材料来处理，如用兰石棉、玻璃纤维、人造有机纤维、坡缕石、海泡石纤维纸制品等一些高吸附性材料来吸附、过滤放射性气体和空气中具有放射性的尘埃；利用沸石、海泡石、坡缕石等矿物净化被放射性物质污染的水体。“矿物固化法”是放射性固体废弃物处理的十分重要的行之有效方法，如硼砂、磷灰石、石英混合料在1000℃以上熔化后，可制成耐辐射的稳定玻璃体；沸石加热发泡、熔化、可固化核废料。坡缕石、海泡石也是辐射屏蔽的密封材料。
2.5 其他环境治理
改性粘土矿物治理赤潮
[23]的作用在于：它们具有大的比表面积，特殊的表面电性和酸性以及很强的吸附能力。因而除了对赤潮海藻具有很强的絮凝作用外，还可以吸附水体中过剩的营养物质，如N、P、NH4、Fe、Mn等，贫化海水，破坏赤潮生物赖以生存、繁殖的物质基础；粘土矿物的粒子也可附着于藻体的内外表面，当这些粒子沉积得很多的时候，藻体就难以生存而死亡。
粘土矿物也可以应用于荒漠化的治理中。沙漠化土地在我国30个省区市的851个县均有分布，总面积达270万km左右，占陆地国土面积的30%，且仍以每年24~60 km的速度在扩展。这些荒漠化土的颗粒较粗，一般呈细砂、粉砂状、无粘性、渗水性强，而粘土矿物的颗粒极细，有较强的膨胀性、粘性、吸水性，两者混合均拌匀，即可变成能保水的种植土。而且粘土矿物一般含有许多有利于动、植物生长的成分，可以为动、植物提供多种营养，从而达到采用粘土矿物治理沙漠的目的。
223 结束语
环境保护是2 1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。人们已经意识到环境治理中最好的切入点是利用自然界本身的自净化能力。作为一种特殊的纳米材料,纳米粘土具有特殊的性能和很广阔的应用前景，随着科学技术的发展，基于粘土矿物的矿物学、晶体化学等特征研究的不断深入，其在环境材料开发方面的应用将非常广阔。
参考文献
[1] 杨飞华,王肇嘉.粘土矿物在环境治理中的应用[J].破产保护与利用,2005,5(10):21-24.[2] 杨赞中等.粘土矿物在环境保护中的应用研究进展[J].中国非金属矿工业导刊,2000 ,(2):29-32.[3]刘龙涛，崔丹.粘土矿物在环境中的应用[J].中国科技论文在线，2003,(3):1-6.[4] 王春伟，郑素群，周军贤。层状粘土纳米材料的特性、加工及应用评述[J].中国非金属矿工业导刊,2008,(6):3-8.[5] 钟厉,韩西,刘江龙,周上祺.环境材料及其评价方法[J].环境污染治理技术与设备,2002,(4):52-55.[6] 杨赞中等.非金属矿物在环境治理中的应用.矿物岩石地球化学通报，1999(4).[7] 杨赞中等.资源、环境及环境材料当议.山西建材1999.[8]Susmita Sen Gupta,Krishna G．Bhattacharryya．Removal of Cd（Ⅱ)from aqueous solution by kaolinite．montmorillonite and their poly(oxo zirconium)and tetrabntylammonium derivatiyes[J]．Journal of Hazardous Materials，2006，128(2)，247-257．
[9] 沈学优等.不同粘土处理水巾重会属的性能研究[J]．环境污染与防治，1998，20(3)：15-18．
[10]A1vare Ayuso E.Garcia Sanchez A．Removal of heavy metals from waste waters by natural and Na-exchanged bentonites[J]．Clays Clay Miner，2003，51(5)：475-48O． [11] 吴平霄等．高岭土/胡敏酸复合体对重金属离子吸附解吸实验研究[J]．矿物岩石地球化学通报，2008，27(14)356-362．
[12] 范丽珍等.改性蒙脱石吸附水中氟离子的实验研究[J]．矿物学报，2001,21(1)：34-38． [13] 孙承辕等.凹凸棒粘土的除氟作用研究[J]．高校地质学报,1997,3(4)：400-104． [14] 郑红等.氢氧化铝包覆膨润土除氟效果的研究[J]．有色矿冶，2005，21(4)：40-43． [15] 马林转等.改性膨润土在污水脱磷巾的应用研究[J]．武汉理大学学报，2007，29(8)：67-69． [16] Aicha Kheni，Bouberka Zohra，Bentaleb Kahina，eta1．Removal 0f 2，4-DCP from waste water by CTAB/bentonite using one-step’and two-step methods：Acomparative study[J]．Chemical Engineering Journal，2009，146(3)：345-354．
[17] Hasan Basri Senturk，Duygu Ozdes，Ali Gundogdu．eta1．Removal of phenol from aqueous solutions by adsorption onto organmodified Tireholu bentonite：Equilibrium，kinetic and thermo dynamic study[J].Journal of Hazardous Materials，2009,172(1)353-362．
[18] 武庭瑄等.膨润土和高岭土对四环素吸附的影响[J]．农业环境科学学报，2009，28(5)：9l4-918．
[19] 裘祖楠等.活化凹凸棒石对阳离子染料的脱色作用及其应用研究[J]．中国环境科学，1997，17(4)：373-376．
[20] 彭书传等．有机凹凸棒粘土吸附水中苯酚的试验[J]．城市环境与城市生态，1999，12(2)：l4-16.[21] 张国生等．凹凸棒石复合分子筛净化气体的研究[J]．环境工程，1994，12(4)：24-28． [22] 张春霞等.改性海泡石对NH3吸附特性的研究[J].河南化工,1994,(5):9-10.[23] 王辅亚等.用改性粘土矿物治理赤潮灾害的前景[J].矿物岩石地球化学通报,1999,18(4):244-246.
