纳米黏土矿物在环境治理领域中的应用 摘要摘要：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保护材料而成为广大环保工作者所重视和研究的对象。 本文介绍了粘土矿物在污水处理、气体净化、 土壤污染、 噪声和固体废弃物污染修复等 方面的作用 ,并提出了今后粘土矿物应用于环境污染修复领域的研究重点。 关键词关键词：粘土矿物 环境污染 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 . Application of the clay minerals in wastewater treatment, air purification, remediation of contaminated soils, noise prevention and solid wastes treatment were introduced .The development trend of clay minerals in environmental remediation region was al o presented . Keywords:Clay mineral, Environmental pollution1.前言 粘土矿物在自然界中储量丰富，并具有独特的优异性能。从本质上讲，粘土矿物所具 有的吸附性、离子交换性、膨胀性、分散性、凝聚性、粘性、触变性和可塑性等一系列理 化性质，都是由粘土矿物的不饱和电荷、大比表面积和存在于层间的水分子和阳离子所决 定。在环境污染治理中，我们主要是利用了其吸附性和离子交换性。世界上许多国家非常 重视粘土矿物在环境治理保护方面的应用，如蒙脱石、蛭石、坡缕石、硅藻土、海泡石、 凹凸棒石等，在空气、水体及土壤等的污染治理中都得到了不同程度的应用。随着科学技 术的发展和工业化程度的不断提高，粘土矿物发展十分迅速。 2.粘土矿物治理重金属水体污染的机理及实例应用 随着现代工业的发展，选矿、冶金、化工、电镀等行业排放的废弃物，水体重金属污 染。生物毒性显著的 Hg、Cd、Pb、Cr、As 和具有毒性的 Zn、Cu、Co、Ni 等重金属污染物， 不能被生物降解，倾向于在活的有机体中富集，引发各种疾病,对环境造成严重危害1。治 理重金属污染的传统技术有化学沉淀、渗透膜、离子交换、活性炭吸附等2,但这些方法普 遍成本较高。大量的研究表明，许多矿物材料作为新型环境材料对工业有机废水具有较好 的处理效果，与传统的物理、化学和生物处理方法相比，具有显著的优点和明显的优势： (1)成本低，来源广泛；(2)制备方法简单，使用方便；(3)具有较高的化学活性和生物稳定性； (4)容易再生，无二次污染，这些都为矿物材料对有机废水处理的工业化应用提供广阔的发 展空间。 2.1 粘土矿物对重金属污染物的净化机理 粘土矿物对重金属污染物的净化机理，包括粘土矿物的吸附作用。吸附是重金属最普 遍和最主要的保持机理，吸附作用包括表面吸附和离子交换吸附两类。表面吸附是指一种 或多种化学物质在表面的富集，表面吸附作用与其表面性质密切相关。吸附作用的进行， 引起系统表面自由能的减少，因此，高度分散的细粉(外表面大)或多孔的固体(内表面大)， 由于具有较大的表面积,即具有较大的表面能，都可能成为优良的吸附剂。离子交换吸附是 类质同象替换使粘土矿物形成永久电荷，为平衡电荷粘土矿物吸附环境中的异号离子的现 象。粘土矿物的表面上、孔道内和层间域均能发生离子交换吸附。粘土矿物的层间域有大 量的负电荷，对重金属离子有较强的离子交换吸附性3。 2.2 粘土矿物治理重金属污染的研究实例 何宏平等4通过蒙脱石、伊利石和高岭石三种粘土矿物对 Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+ 五种重金属离子的吸附研究,结果表明，蒙脱石对 Cr3+、Cu2+有很好的选择性，伊利石和高 岭石对 Cr3+、Pb2+有较好的亲和力。柯家骏等5研究了膨润土粘土矿物吸附溶液中重金属离子的能力。结果表明，在相同的条件下，膨润土吸附溶液中重金属离子的次序是： Cu2+Zn2+Ni2+Cd2+。李红阳等6通过实验表明,粘土矿物对于 Cr、Cd、Pb、Hg、As 等有害 元素具有很强的吸附能力，是理想的低成本吸附剂,在废水处理中,可用来取代活性炭或离子 交换树脂来去除重金属等有害元素。 3.大气净化 蒙脱石、海泡石、坡缕石及高岭石等因吸附性强，作为吸附过滤材料广泛应用于大气 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 NOx , H2 S 等的吸附过 滤。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、隐蔽性，严重的会引发鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。连锦明等7探讨了膨 胀石墨对甲醛废气的吸附性能，结果表明，膨胀石墨对甲醛废气具有较好的吸附效果，膨 胀石墨对甲醛的吸附以物理吸附为主，吸附量随温度升高而逐渐减小。他们还比较了膨胀 石墨和活性碳对 NOx的吸附性能，发现单位质量活性碳的吸附量为 0 .069 mg/g，而单位质 量膨胀石墨的吸附量为 3 .06 mg/g，这表明膨胀石墨与活性碳相比较，前者对 NOx的吸附 性能好得多8 。试验表明：经 0. 5mol/ L 的盐酸处理的改性海泡石对 NH3、Cl 2、H2S、HCl 和 SO2 有极强的吸附性，其吸附能力为： HCl Cl 2 SO2 , NH3 H2S 15；改性的海泡石加 入一定量的活性炭是卷烟过滤咀的理想原料，可以吸附烟雾中的 CO、CO2 等小颗粒和去除 危害人体的腈、丙酮和丙烯醛等气体。在烟尘型大气污染治理中，利用粘土矿物开发新型 固硫剂，提高煤的燃烧效率和二氧化硫固定能力,成为研究的新动向。利用粘土矿物开发的 新型陶瓷除尘过滤器具有经济、简便、安全可靠和效果好的特点，开发应用前景广阔9。 4.粘土矿物在土壤污染修复中的作用 土壤污染物主要分为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和苯并芘等。在影响土壤重金属的生物 有效性方面，粘土矿物同土壤有机质作用相当，土壤中的粘土矿物是固定重金属的重要组 分10。粘土矿物不但层的内表面可以吸附交换离子，而且还可以通过将重金属阳离子吸附 在层间的晶格结构内而使其固定，从而减轻重金属污染物质的危害性 11。L. J .Furnare 等研 究表明，Cu 在土壤中主要是被粘土矿物所吸附，尤其是有机质含量较低的土壤。Covelo 等 通过对 11 种酸性土壤进行 6 种重金属的吸附解吸试验研究，发现这些重金属是被粘土矿物 (如高岭石、水铝矿和蛭石等)所固定。胡振琪等人22研究了利用粘土矿物膨润土、海泡石、凹凸棒石等吸附土壤中的重金属，试验表明几种粘土矿物对 Cd2 +有很好的吸附作用，可用于重金属污染土壤的治理，并指出 pH 值是影响吸附效果的一个重要因素。笔者通过等 温吸附试验和盆栽试验12，研究了凹凸棒石对 Cd2+的吸附及对镉污染土壤玉米生长的影响， 试验表明凹凸棒石对 Cd2+有很好的吸附作用，在镉污染土壤中添加少量的凹凸棒石可使玉 米中的镉中毒程度降低，从而促进玉米生长。李明德等人 13研究利用海泡石改良镉污染的 土壤 ,结果表明海泡石能显著促进植物生长，降低植物体内镉的浓度，可作为镉污染土壤 的改良剂。还有的研究表明14钠化改性膨润土对 Cd2 +的饱合吸附量为 8 . 45 mg/g,是土壤的 2 . 70 倍。XRD 试验表明，钠化改性膨润土对 Cd2 +的吸附主要为离子交换吸附。在镉污染土 壤中添加钠化改性膨润土可促进植物生长，降低植物地上部和地下部的重金属含量。高岭 土属于 1 1 型的硅铝酸盐粘土矿物，具有粘土矿物特有的吸附性、多孔性和表面酸性。 高岭土可用作化肥、农药、杀虫剂的载体，因为其颗粒表面具有微细孔隙，有一定的吸附 性，可对氮、磷、钾和有机碳进行吸附和解吸，这样可以改善化肥的使用效益 ,营造良好 的生态环境。在国内外关于土壤污染物防治研究活动中，人们一直在强调土壤自身的净化 能力。土壤的自净化能力主要通过土壤中粘土矿物、腐殖酸和复杂的有机、无机复合体组 成的土壤胶体体系实现，其中粘土矿物作为土壤胶体的主体，在土壤自净化过程中起着至 关重要的作用，甚至粘土矿物性质在某种程度上就能体现土壤的自净化能力。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 染物的活性和扩散性大大减弱,也抑制了污染物质参与再循环。其次粘土矿物层内表面积不 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架结构内而成为固定离 子，消除了污染物的毒害 15。在建造堆放油污废塑料、生活垃圾的垃圾场时，往往需要防 止有害的垃圾渗滤液侵入地下，污染地下水和土壤，采用粘土矿物建造矿物学壁障，既经 济又实用，在国际上得到了广泛使用。垃圾渗滤液是一种高浓度、强污染、组分复杂，特 别是有机污染物种类繁多，其中检测出的 77 种有机污染物中有相当数量的强致癌物和有 毒有机物，更有多达 5 种被列入我国环境优先污染物“黑名单” 。 而由天然粘土矿物制备 的有机粘土对垃圾渗滤液中的卤代烷烃、苯系物、氯代苯类、酚类、硝基苯类、荼胺、重 金属及其化合物等主要污染物都有较好的吸附能力，可以有效的防治垃圾渗滤液的外渗， 特别适合作为垃圾填埋场的防渗漏材料。在垃圾填埋场下部填土衬层中添加适量有机粘土 矿物，通过低渗透材料和一定厚度的组合达到阻断渗滤液与环境联系、防止渗滤液外漏、 防止外界水体进入的目的 16。 5. 室内空气污染治理 室内空气污染及治理是当前的热门研究课题，也是普通百姓关注的重要话题。随着家 庭装饰装修材料主要是人工合成高分子材料使用的增多，不仅引起了短时间的空气污染， 同时带来长久的潜在隐患。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、隐蔽性，严重的会引发鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。甲醛可经呼吸道吸 入，其水溶液福尔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。氡是建筑材料,如砂、石、砖、地下土壤中放射性物质形成的无色无味的天然放射 性气体。因此高放射性建筑材料是导致氡的主要物源。这些物质可能包括放射性超标的花 岗岩石材，具放射性的矿渣、煤渣混凝土砌块或粉煤灰砌块，也可以来自高放射性背景区 的高温烧制材料如瓷砖等。氡作用于人体可导致人体的造血器官、生殖系统、神经系统和 消化系统的损伤，同时会很快衰变成人体能吸收的核素，进入人的呼吸系统造成辐射损伤。 对于上述几种有害物质, 以沸石、坡缕石、海泡石、膨润土、累托石等粘土矿物为载体的 载银无机抗菌剂可以起到良好的作用效果。目前开发的以多孔结构粘土矿物为载体的无机 抗菌剂已成功应用于室内空气净化,并对病菌及其分泌物