第一篇：纳米粘土矿物材料在环境治理领域中的应用
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
[11]
[9]
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
[22]
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.
第二篇：纳米粘土矿物在环境治理领域的应用2
纳米粘土矿物在环境治理领域的应用
摘要：粘土矿物是颗粒直径小于0.1mm的含水层状结构的硅酸盐矿物。其结构使其有着催化性，离子交换性，分散性等特殊的性质而引起人们广泛的关注和研究的对象。本文重点介绍了粘土矿物及其特性，在治理空气污染、水污染、固体废物污染、噪声污染等方面的用途。并阐述了纳米粘土矿物未来的发展方向。
关键词：纳米材料，粘土矿物, 环境治理, 污染, 硅酸盐
Environmental Governance by Applications of Nano-clay mimeral material Abstract: Clay mineral is a kind of silicate mineral with moist layered structure whose diameter is less than 0.1mm.It has attracted many attentions and researches because of its specific characteristics such as better catalysis, ions exchange and better dispersion which are determined by its structure.This article mainly focus on the introduction of clay mineral and its features and the applications of governance of air pollution, water pollution, solid waste pollution, noise pollution, etc.The future development of the clay minerals is illustrated.Key words: nano material, clay mineral, environmental governance, pollution, silicate
随着工业的发展，环境污染日趋严重，甚至影响到人们的正常生活。环保问题正逐渐引起我们的重视。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。纳米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、废气及土壤修复等众多环境治理领域表现[1]出广阔的应用前景。
1.纳米材料
纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料可应用于工程、催化、精细化工、涂料等方面[2]。
根据物理形态可将纳米材料大致分为纳米粉末（纳米颗粒）、纳米纤维（纳米管、纳米线）、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。
根据结构可划分为，零维纳米材料，即三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子、一维纳米材料（具有纤维结构）、二维纳米材料（具有层状结构）、三维纳米材料。
按化学组分可划分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。
按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。
按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。
2.粘土矿物简介
粘土矿物是颗粒直径小于0.1mm的含水层状结构的硅酸盐矿物，硅、铝、氧是其中最主要的元素。其结构单元层是由[SiO4]四面体与[AlO6]八面体彼此以3个角顶相连，从而形成二维延展的网层即四面体片。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。形成层状结构。按其连接方式的不同把粘土矿物分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，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；后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石及云母类等，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。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，八面体重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。
粘土矿物的基本结构包括五个层次：
（1）Si-O构成的四面体或Al(Mg)-O(HO)构成的八面体；
（2）由第一个层次的四面体和八面体连接成四面和八面体结构片；（3）结构片按比例组成的结构单元层；
（4）结构单元层在c轴方向上按一定间隔垒砌构成不同的粘土矿物并形成层间域，层间域空间中有时是空的，有时填充水分子或同时被阳离子和水分子填充，不同粘土矿物的层间域厚度是不同的，如高岭石和绿泥石是固定的；蒙脱石的层间域厚度是可变的；
（5）一个结构单元层加一个相邻的层间域，构成粘土矿物的单位构造层，不同种类的粘土矿物，单元构造层的厚度不同。
3.粘土矿物的特性[3]
3.1分散性和胶体性
粘土颗粒因层间类质同象置换表面具有永久电负性，而其端面断键也会使粘土颗粒具有可变电性。粘土颗粒在水体系中的稳定性主要取决于这些电性所引起的双电层结构特征，而双电层结构会因电解质或pH值作用发生的变化。因此，粘土颗粒在水体系中的分散和絮凝可以通过添加电解质或调解pH值来加以控制。利用粘土矿物的这些性质，可以表面吸附、混凝、沉淀污水中的污染物，达到治理污染的目的。
3.2 催化性
粘土矿物因具有很大的表面积，适宜的孔径及表面酸性，从而表现出良好的催化性。粘土矿物经酸化处理后，能够大大改善其催化活性。因为，经酸化后，不仅可以引起粘土矿物组分和结构的变化，而且能够提高其比表面积、改善其孔径分布、增强其表面吸附性。3.3 离子交换性
粘土矿物层间具有永久电负性，为保持结构单元层电价平衡，在其结构层间会吸附一定量的阳离子，而这些层间阳离子具有可交换的特性。阳离子交换反应式可表示为：
M+-Clay + A+ ⇌ A+-Clay + M+
粘土矿物层间阳离子交换性质主要取决于离子电价、离子半径大小极离子浓度等。一般而言，离子势与离子选择性成正比，离子浓度与离子选择性也成正比关系。粘土矿物大都具有阳离子交换性，但交换容量有一定差异。蒙脱石、蛭石阳离子交换容量为80~150meq/100g，伊利石和海泡石为10~40meq/100g，高岭石为3~15 meq/100g。粘土矿物的阴离子交换性为20~30 meq/100g。这一作用主要发生在结构单元层的端面，特别是pH较低的情况下，端面因带一定正电荷而吸附许多无机或有机阴离子，如PO42-、AsO32-、SeO42-、S2-、CN-、CH3COO-等。
3.4 与有机物的复合性
粘土矿物具有与有机物符合的特殊性质，其复合的吸附力来自于离子交换作用、范德华力、氢键力以及离子偶极力作用。粘土矿物复合的有机物大致可划分为三种类型：中性分子有机物，例如NH3、SO2、醇、酮、胺、尿素等；有机阳离子，例如烷基、羟烷基、烷酰基等；高分子聚合物，例如酶、蛋白质、病毒、腐殖质等，其吸附力有离子交换、范德华力和氢键力。粘土矿物除可以直接复合有机物外，还可以通过人工有机复合制备吸附交换性更好的有机粘土，例如有机膨润土。
4.纳米粘土矿物在环境治理中的应用
粘土矿物具有环境修复（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[4]。在环境领域中的应用包括：污水处理方面、土壤净化、大气净化、核废料处理、清除放射性气体、阻止有机和无机有害物质迁移等[5]。
目前粘土主要作为粘结剂、吸水剂、吸附剂、催化剂、絮凝剂等广泛应用于冶金、机械、石油、化工、和环保的各个领域。为了提高其附加值, 使用前往往要对天然粘土进行改性。改性方法、机理、工艺及条件已成为人们关注的焦点[6]。
4.1空气污染[7]
4.1.1 室内空气污染
室内空气污染主要来自装饰材料中的人工合成高分子材料。物质主要包括甲醛(HCHO)、氨、苯、氡等，对人体危害严重，并会引发鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。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毒素均有较强的杀灭和降解作用。
由于坡缕石、海泡石、沸石、膨润土、累托石等为典型的天然纳米粘土矿物材料, 基于其特有的孔道结构、晶体表面生长缺陷的发育和纳米级尺寸效应,经充分分散处理后具有大比表面积和超强吸附性。如以纤维状坡缕石、海泡石、沸石制作的环保型特种多功能纸不仅具有难燃、阻燃效果, 而且能有效地吸附室内空气中的氮氧化物(NOx)和有害极性气体, 应用于空气净化的超细滤膜纸, 由于海泡石、坡缕石的强防辐射屏蔽性, 其开发的壁纸材料可有效防止建筑墙体氡气的析出。
4.1.2城市空气污染
城市空气污染主要来源于汽车尾气的排放，其中包括NOx、金属排放物排放。无铅汽油的使用使得汽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使得汽油燃烧的NOx排放量显著减少。
青石可以用来吸收汽车尾气，其结构为环状结构含铝硅酸盐，其四面体结构存在着[AlO4]对[SiO4]的置换以及配位多面体中金属阳离子的类质同象置换，活性强，同时具有极好的高温热稳定性。国外用粘土矿物制成汽车排气管、过滤器, 主要是充分利用粘土矿物的吸附性。用粘土矿物代替活性炭可降低卷烟中含有的焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害。4.1.3 工业废气治理
工业废气是我国大气污染的主要来源，主要包括：CO2、SO2、粉尘等。由于有害气体多为酸酐, 大部分能溶于水, 因而可用呈碱性的粘土矿物与酸酐发生中和, 从而吸收酸酐, 达到清除废气的目的。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, 如沸石、海泡石、膨润土、坡缕石、高岭土、累托石以及其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。
4.1.4 大气净化
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。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NOx、SOx、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100×106/m3气体中放置40个海泡石，可使氨的浓度降至18×106/m3。4.2水污染
粘土矿物主要用于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-的去除。
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[8]。膨润土对废水中有极性结构的非离子型表面活性剂有较强的吸附能力，每克膨润土可吸附200-300mgCODcr。对于无极性的非离子表面活性剂，用2%的投加量可使CODcr浓度为1000mg/L左右的废水达到排放标准。将无机钠盐与膨润土按照一定比例制成的HB絮凝剂加入到味精废水中，能吸附废水中的有机污染物，使废水中的COD大大降低。用明矾和膨润土作为吸附—徐宁剂处理再生纸废水中的COD和悬浮物，也可使排放出的废水由碱性变为中性[9]。将膨润土与CaCl2无机盐制成混合物，按5g/L的量加入印染废水中，可以除去九成的燃料和八至九成的表面活性剂。
蒙脱石可以用来吸附Pb2+、Cd2+及Cr(III)，即用蒙脱石—聚合氯化铝交联处理废水中的重金属，可进一步改善去除效果并提高固—液分离速度，是低浓度废水中Pb2+等的去除率达到93.1%。经研究发现：经酸化的蒙脱石出去废水中的重金属离子效果更佳。
凹凸棒石可以净化处理印染废水，投加量为10-12g/L，pH=6-10，反应时间为10min，COD去除率达74%，色度去除率大93%，净化效果与常用的聚合氯化铝、硫酸铝、硫酸亚铁等相比均有明显的提高。经活化的凹凸棒石粘土可以处理铀。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。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。经预处理的海泡石、凹凸棒石等以吸附与离子交换法可以降氟除磷，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。
4.3固体废物污染
固体废物主要指工业废物、矿业废物和城市生活废物等。工业废弃物可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。城市生活固体废弃物主要是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，即城市生活垃圾，主要包括居民生活垃圾、医院垃圾、商业垃圾、建筑垃圾。矿业废物指开采和选洗矿石过程中产生的废石和尾矿。
对于固体废弃物中含有的放射性元素。可利用沸石、膨润土、累托石、坡缕石、海泡石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。粘土矿物也可作为一种固化剂，“矿物固相法”是放射性固体废弃物处理的十分重要和行之有效的方法，例如沸石加热发泡、融化、可固化核废料。坡缕石、海泡石也是屏蔽辐射的常规密封材料。4.4 噪声污染
随着对噪声危害认识的提高，噪声已与“三废”并列为环境“四害”之一。硅藻土、浮石、蛭石、珍珠岩等具有良好的消声隔音性能，尤其是膨胀蛭石吸引系数可达0.53-0.73，隔音能力为40-50dB，经常用作汽车减音器和隔音泥灰。
4.5 粘土矿物在其他方面的应用
粘土矿物可治理土地荒漠化：荒漠化的颗粒较粗，一般呈细砂、粉砂状，无粘性，深水性强，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[10]。
粘土矿物因其导热系数低，分散性高，以及特有的微孔结构等，适用于研制开发保温涂料等多种保温材料。保温材料的开发具有重要的“绿色意义”。20世纪80年代以来海泡石复合硅酸盐保温材料发展迅速。利用纤维状海泡石和粘土状海泡石为主要原料，研制的新型保温隔热涂料常温下导热系数为0.079W/(m·K)。以坡缕石为主要原料的SM复合硅酸盐保温涂料，常温下导热系数小于0.05W/(m·K)。
伊利石具有较好的化学惰性、电绝缘性、绝热性及随温度升高体积膨胀的特性，可作为一种新型的传压介质材料。其特性在某些方面由于叶腊石，其钛、铁杂质可成为合成金刚石的有益添加剂，同时所需和成功率下降，利于节能[9]。
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镇定剂，对放射性物质永久性吸附固化；以及机房中软X射线的吸收等方面。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，阻止无机或邮寄有害物迁移[9]。
粘土矿物对地质作用和地质环境的变化反应敏感，还可用于岩相古地理、古气候、古环境、地层对比和成岩成矿条件的研究和回复。另外，深海中的粘土矿物和深海软泥存在于非常独特的环境，有着独特的潜在应用价值。从环境角度考虑，深海中的粘土和碳酸盐的利用有可能要早于其他矿产资源。
由于粘土矿物有着独特的物理化学性能，作为较理想的载体材料已广泛受到人们的关注，发展相当迅速，特别是膨润土、凹凸棒石、海泡石、蛭石等。目前采用离子交换法已经成功地制备了载银膨润土、载银凹凸棒石、载银海泡石和铜型蛭石等无机抗菌剂，其抗菌效果良好，可制成抗菌制品。
还有一些粘土矿物有抗紫外线能力，比如伊利石，可作为化妆品。伊利石无毒无臭，质软滑腻，且呈丝绢光泽，分散性好，附着力强，其pH值一般为6~7，化学性能稳定，矿物组分简单，不含对人体有害的成分[9]。
5.纳米粘土矿物的未来及研究发展方向
由于粘土矿物的资源丰富，价格便宜并且有着优越的物理和化学性能，被越来越多的应用于环境保护中。除少数粘土矿物，如石棉外，大多说天然产出的矿物材料基于其不同的性能在不同领域起着环境保护和环境治理的作用，它们皆可认为是环境矿物材料。随着科学技术的进步，人们对环境条件要求的提高，粘土矿物材料的应用将越来越广，其作用也越来越重要，如在节能保温材料方面、在降噪隔声方面、在无形磁波污染控制方面、在自然灾害防治方面、在太阳能材料应用方面、在传动系统减震方面、在新型抗菌材料方面、在人体健康材料方面等都起着不可缺少、甚至不可替代的作用。
未来粘土矿物的研究方向：研究粘土矿物材料的成分、结构和性能之间的相互关系；研究粘土矿物材料在外界作用力下的成分、结构和物化性能变化及变化规律；研究粘土矿物材料的深加工、处理方法，包括提纯和改性；研究粘土矿物材料的自然形成条件及人工合成方法和技术参数；研究设计和制备新的矿物材料和功能复合材料；研究粘土矿物材料的应用技术和应用方法[7]。
参考文献：
[1] 郭楠, 王雪莲, 左勇.硅酸盐粘土矿物在环境污染物治理中的应用[J].绿色科技, 2011, 1: 85-87.[2] 郭英.纳米材料的应用分析[J].技术应用.2010, 9: 119.[3] 崔龙鹏.试论粘土矿物在淮河水污染治理中的应用前景[J].环境保护科学.1998, 24(5): 16-18.[4] 秦文淑.改性粘土的应用及其研究前景[J].广东轻工职业技术学院学报.2007, 6(4): 13-17.[5] 刘龙涛, 崔丹.粘土矿物在环境中的应用[EB/OL].中国科技论文在线.[2006-02-28] http://www.xiexiebang.com/index.php/ default/releasepaper/content/200602-277.[6] 李俊, 黄韵, 马晓燕.粘土及改性粘土的应用进展[J].矿业研究与开发.2003, 23(5): 36-37, 54.[7] 杨飞华, 王肇嘉.粘土矿物在环境治理中的应用[J].矿产保护与利用.2005, 5: 21-24.[8] 戴清清, 宋绵新.粘土矿物在水污染治理中的应用发展概述[J].矿业快报.2005, 2: 10-12.[9] 易发成, 王哲.粘土矿物在环境保护领域的应用现状和发展前景[J].中国非金属矿工业导刊.2005, 49: 98-103.[10] 杨秀敏, 李立欣, 张迎春.粘土矿物作为环境修复材料的研究进展[J].金属矿山.2010, 7: 153-156.
第三篇：纳米材料在化学化工领域中的应用研究
发表吧————专业论文发表组织，诚信可靠快速发表。长期有核心期刊论文转让
纳米材料在化学化工领域中的应用研究
张晓蕾
摘 要：纳米材料，是指一种拥有特殊功能的新材料，其三维尺寸中至少一维低于100nm，并且其性质与其他块体材料存在差异。纳米材料的特殊结构层次使得其拥有表面效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应。就当前纳米材料的应用领域来看，其在电子、能源、生物、航空等行业中都发挥着重大的作用。现文章主要针对纳米材料在化学化工领域中的应用进行研究。
关键词：纳米材料；化学化工；应用领域
自从纳米材料出现后，其在结构、光电、化学性质等各个领域实现广泛的应用。其凭借着独特的物理性质与化学性能在物理、化学、生物等领域的研究带来了的新的发展机遇。纳米材料的应用前景十分广阔，其在化学化工领域中有着十分重要的作用，并且能够推动化学化工领域的进步与发展。纳米材料及其特性
纳米材料是一种在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，或者由其作为基本结构的材料，其大致相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺寸。纳米材料的特性主要包括以下几点：第一，表面效应。纳米材料的表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数的比例值随着粒径变小而急剧增长后所导致的性质改变[1]。根据相关研究表示，伴随着粒子直径的缩短，避免原子个数的增长速度迅猛，而表面原子由于周围缺乏相邻原子，呈现不饱和性状态，强化了纳米粒子的化学活性，从而使得纳米材料能够在吸附、催化等作用上明显的优势。第二，小尺寸效应。小尺寸效应即为纳米粒子的粒径小于或等于超导态的相干波长时，其周期性的边界条件将被损害，从而使得纳米材料的化学性质、催化性质相对于其他材料来说有着明显的区别。小尺寸效应不单单显著扩展了纳米材料的物理与化学特性范围，并且大大拓展了其应用领域。第三，宏观量子隧道效应。该效应主要是指纳米粒子能穿越宏观系统的壁垒而出现变化的一种特征。这一效应对纳米材料的基础研究与实际应用都有着十分关键的作用。宏观量子隧道效应限制了磁盘对信息存储量的限制，明确了现代微电子元件微型化的极限。第四，量子尺寸效应。该效应主要是指纳米粒子尺寸持续减少到某一数值时，纳米能级周边的电子能级可以转变为分离能级粒[2]。这一效应使得纳米粒子拥有高水平的光学非线性、光催化性等特征。总的来说，纳米材料与其他材料不同，拥有众多与众不同的特性，这使得其在力学、磁学、热学等各个领域都拥有十分重要的应用价值，并给资源利用拓展了更大的空间。纳米材料在化学化工领域中的应用
2.1 纳米材料在环保领域中的应用
在治理空气污染、水体污染过程中环保是最为基础的要求。纳米材料可以在空气净化、污水处理中起到重要的作用。在空气净化方面纳米材料拥有十分广阔的发展空间，不单单是由于其拥有细微的颗粒尺寸，同时伴随着纳米微粒表面形态与粒径的大小有着密切的关系，粒径减少其表面会变得更加粗糙，从而出现凹凸不平的原子台阶。纳米材料与技术可以被用在汽车尾气超标报警器与净化设备中，显著降低有毒气体的排放量。另外，纳米材料还可以被用于石油提炼工业中的脱硫环节当中[3]。在污水处理方面，要实现污水处理中将有害物质、污染物质、细菌病毒等物质去除的目的，可以使用纳米材料与技术来污水中的贵金属提炼出来，开展循环利用。不论是水体中的有机、无机污染物均可以利用纳米微粒光催化作用来将其制造成为矿化物。
2.2 纳米材料在涂料领域中的应用
发表吧————专业论文发表组织，诚信可靠快速发表。长期有核心期刊论文转让 发表吧————专业论文发表组织，诚信可靠快速发表。长期有核心期刊论文转让
由于纳米材料的表面与结构存在一定的特殊性，拥有其他材料无可比拟的优势，显示出十分强大的活力。在化学化工领域中，表面涂层技术是关注的热点之一。纳米材料的出现给表面涂层技术的发展提供了基于。在使用传统涂层技术上应用纳米材料可以得到纳米复合体系涂层，使用该涂层可以达到质的飞跃与进步。在涂料中加入纳米材料可以进一步提升涂料的防护能力，从而达到防紫外线、防大气侵害等作用。例如，在建筑材料玻璃、涂料中加入纳米材料可以达到显著减少光透射以及热传递的效果，从而形成隔热的效用。又例如，在汽车装饰喷涂行业中纳米TiO2添加入汽车漆面中，可以使得汽车漆面形成一种有魅力的色彩效果。
2.3 纳米材料在催化领域中的应用
催化剂在众多化工领域中都占据着十分重要的地位，其能够控制反应时间、提升反应速度与效率，显著提升经济效益，减少对生态环境的污染。首先，光催化反应。纳米粒子作为光催化剂拥有粒径细、催化效率高等优势，十分容易利用光学手段来对界面的电荷转移进行等特点进行研究。例如，利用纳米TiO2应用在高速公路照明装置的玻璃罩面中，由于其拥有较高水平的光催化活性，能够对其表面的油污进行分解处理，从而保证其良好的透视性。又例如，在火箭发射所使用的固体燃料推进器中，如添加大约为1wt%的超细铝或镍颗粒，可以使得其燃烧使用率增加100%。将表面为180m2/g的碳纳米管直接应用在NO的催化还原中，从而可以增加NO的转化率。结束语
纳米技术的出现给人类的生活与生产带来了重大的影响，其能够从根源上改善解决人类面临的众多问题。尤其是能源、人类健康与环境保护等问题。纳米技术探索的最终目的就是要实现纳米材料的应用化，用于改善人类的环境与生活状态，相信在不久的以后纳米材料将会在生产生活的更多领域中得到更加广泛的应用。纳米材料的应用将会成为新产品、新设计、新产品的支柱，为我国经济发展提供新的发展机遇。
参考文献：
[1]李延军.浅谈纳米新材料在化工领域中的应用[J].劳动保障世界（理论版），2013（04）：61-62.[2]刘华，翟江.纳米材料在化工生产领域中的应用[J].潍坊教育学院学报，2007（03）：37-38+50.[3]蒋文，袁若.纳米材料在电化学生物传感器及生物电分析领域中的应用[J].分析测试学报，2011（11）：1200-1206.发表吧————专业论文发表组织，诚信可靠快速发表。长期有核心期刊论文转让
第四篇：纳米粘土矿物的研究概况及应用技术特点（模版）
纳米粘土矿物的研究概况及应用技术特点
张广川
（河北工业大学材料学院，天津300130）
摘要介绍了纳米粘土矿物的概况，指出纳米粘土矿物除了蒙脱石外，还有高岭石、海泡石、蛭石、坡缕石、累脱石等。阐述了纳米粘土矿物的应用情况。例如，环境保护领域,以及医药、工程领域应用现状。
关键词纳米粘土，蒙脱石，比表面积，表面活性
application and research situation of technical characteristics of nanoclay
ZhangAnChuan
(hebei industry university, tianjin 300130)materials department
AbstractThis paper introduce the nanoclay,point out the clay minerals include not only montmorillonite,but also kaolinite, sepiolite, vermiculite, fiber-like palygorskites, tired from stone, etc.Expounds the application of nanometer clay minerals.For example, the environmental protection field, and medicine, engineering field application situation.Key wordsnanoclay, montmorillonite,specific surface area, surface activity
信息技术、生命科学技术和纳米技术是21世纪的主流技术，其中纳米技术又是信息技术和生命科学技术持续发展的基础。纳米料在化学、电子、冶金、宇航、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。
目前人工纳米材料的制备方法均需要较高成本，如物理的蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、等离子体法、电火花和爆炸法，以及化学的液相反应法、气相反应法和固相反应法，菲的价格使一些民生工业望而却步。
与传统的纳米材料制备技术相比，纳米粘土具有原料丰富、工艺简单、成本低廉等特点因此，纳米粘土的研究成为材料科学研究的一个热点。
简介
所谓的纳米材料，从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米＝100厘米，1厘米＝10000微米，1微米＝1000纳米，1纳米＝10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。而纳米粘土矿物就是指从尺寸大小来讲具有纳米级尺度并且具有一定纳米特性的粘土矿物。纳米粘土的研究最先涉及到的粘土是蒙脱土[1]，且由于其本身的特性，对纳米蒙脱土的研究最为广泛且最为深入，目前已投入工业化生产阶段。
因此在许多参考文献中，纳米粘土指的就是纳米蒙脱土。从粘土矿物的分类可看出，粘土矿物有很多种类型，且具有不同的结构与性质。而且目前对于纳米粘土的研究，涉及到的粘土矿物除了蒙脱石外，还有高岭石、海泡石、蛭石、坡缕石、累脱石等。
概况及应用
现如今对纳米粘土矿物材料的研究非常广泛。主要进行的研究有纳米粘土矿物在环境治理领域的研究；纳米矿物对橡胶增强增韧的机理研究；纳米粘土矿物材料在医药、保健品中的应用研究等等。
应用于环境治理领域
如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。目前，对于环境污染，特别是对水污染的治理，主要采用活性污泥法和粉未活性碳投料——活性污泥法两种，但由于活性污泥存在着对水质变动敏感，容易膨胀等缺陷，并且活性价格昂贵，投放量难以增加，所以开发一种新型的材料是很有意义的，纳米粘土矿物具有较大表面积，吸附性能好，价格较便宜，被越来越多的应用于污水治理的研究中。
在粘土矿物中，硅、铝、氧气是其中最主要的元素。在这些粘土矿物中，碳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，用T表示。同样，铝氧八面体共用边角形成了八面体，用O表示。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，形成层状结构。
由一片铝氧八面体和一片硅氧四面体结合在一起形成层，氢键将这些层结合在一起，生成了TO型(1∶1型)，这类矿物层间不带电荷，阳离子交换容量(CEC)很低，高岭石为最典型的TO型粘土矿物。两个硅氧四面体片中间夹一个铝氧八面体片生成层，这些层再堆积在一起，生成TOT型(2∶1型)，常见的TOT型粘土矿物有伊利石，蒙脱石，蛭石等。在TOT型粘土矿物中，常存在着同晶置换，即四面体中的Si4+被Al3+所置换，或者八面体中的Al3+被Fe3+，Mg2+或Fe2+等置换，或者是两种置换均发生。这种类型称为2∶1∶1型。但是这种置换并不改变矿物的晶体结构。由于通常是高价阳离子被低价阳离子置换，常见的TOT型粘土矿物带有永久性负电荷，存在于硅氧四面体和铝氧八面体中，或者两者兼有，必须由阳离子来中和，由此造成TOT型粘土矿物具有相对较高的CEC，大小主要取决于同晶置换程度。
利用这一结构特性，使得粘土矿物就具有了在污水处理中的使用前景。粘土矿物对于重金属离子、有机物、阳离子染料分子等的吸附主要有表面吸附和离子交换吸附。表面吸附是一种或多种化学物质在表面的富集。只有具有较大的表面积，例如高度分散的细粉或多孔的固体，才具有较大的表面能，才能作为良好的吸附材料。离子交换吸附是为了平衡电荷常需要吸附环境中的异号离子，如上述的2∶1∶1型粘土，为了消除电价不饱和，就要在层间吸附其它阳离子来进行置换，以达到吸附目的【2】。
吸附作用还可以分为选择性吸附和非选择性吸附。选择性吸附是属于化学吸附，受可变电荷表面的电量控制，非选择性吸附即通常所说的交换吸附，属于静电作用，受矿物所带的永久电荷量控制，主要是在粘土结构单元之间的空隙进行的。
吸附能力的大小取决于活性表面的多少及表面电荷密度，而能否吸附则与粘
土矿物的自由孔径有关。如果被吸附的离子团或分子直径大于粘土矿物自由孔径，使离子团或分子难以进入粘土矿物内表面，吸附便只发生在外表面，从面降低了吸附效果。而纳米粘土矿物就具有大的比表面积、优良的表面活性等特性。有利于其对污水中的重金属离子、有机物、阳离子染料分子等的吸附主要有表面吸附和离子交换吸附。
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[27]等，因此对粘土矿物应用的研究还有更大的发展前景。
在医药、保健品中的应用研究
粘土矿物因有大的比表面积，丰富的孔隙率，良好的吸附性能，较高的吸附容量和离子交换能力等，已作为很多药物的活性成分和药物辅料，被广泛用于胃、肠道疾病，急慢性腹泻，皮肤病及风湿病的治疗。随着人们对粘土矿物性能和治病机理研究的深入，粘土矿物作为天然无毒副作用药物材料的研究越来越受到重视。
例如，由于海泡石具有大的活性表面，可以保持活性产物，又因其表面的低交换性能与三价铁的含量低，可用作制药的赋形剂，能使药品耐氧化褪变.同样，因其良好的吸附性能，海泡石在治疗腹泻中可用作毒素，细菌和液体的肠胃吸附剂.再者，对海泡石与MgO混合物同海泡石与Al(OH)3及三硅酸镁(tri-silicates magnesium)混合物进行比较研究显示，海泡石具有控制pH值的性能，在治疗胃酸症中可用作抗酸药品。
国外对纳米级天然蒙脱石的药理研究表明，由于蒙脱石带有不饱和的负电荷及具强烈的阳离子交换能力，对进入人体的病毒细菌有绝对的吸附固定作用，当纳米级的蒙脱石进入人体时，在肺道的消化粘膜内层覆盖一层膜，可以阻止有害病毒细菌通过肠道与粘液结合进到血液中，从而起到抑制作用。纳米蒙脱石对大肠杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲菌、金黄色葡萄球菌和轮状病毒及胆盐都有较好的吸附作用，对细菌毒素有固定作用；研究还表明蒙脱石只吸附、固定表面带有粒编码蛋白(CS31A)的致病性带电病原菌，对表面不带CS31A的正常菌群无固定清除作用。
在此基础上，国内采用纳米蒙脱石和普通蒙脱石与大肠杆菌的体外对比吸附检测的方法，结果发现纳米蒙脱石的吸附能力明显提高，这为纳米蒙脱石应用于医药领域提供了证据。纳米蒙脱石还可起到较好的缓释作用，提高戊二醛消毒剂的稳定性[3]。
另外，经试验，超细纳米级蒙脱石粉末在某种中药粉末中按比例配搭，治疗烫伤有奇效。
在化妆品生产中，利用粘土矿物与有机物结合形成保护因子有屏蔽紫外线功能，能够有效减轻紫外辐射对皮肤的伤害。海泡石或蒙脱石与苯基水杨酸盐的复合药剂就具有较好的紫外线吸收能力。吸附有N一甲基一8一羟基喹啉甲基硫酸盐的蒙脱石也能很好的吸收紫外辐射，减轻紫外线对皮肤的伤害。
因此，粘土矿物主要作为胃、肠道疾病，腹泻的治疗药物或药物的辅料填料。
[4]以及护肤品领域。
纳米粘土矿物在其他方面的研究
在土工领域，由于纳米粘土矿物具有较大的比表面积及表面活性，再加上具有较好的流变性和润滑性。因此，纳米粘土矿物可作为填充剂加入混凝土水泥中提高混凝土的部分性能。例如，据有关实验数据表明在一定掺量时，在水化混凝土中掺纳米粘土材料可提高水化混凝土的流动度、抗压强度和抗渗、抗冻融性。另外，纳米粘土材料掺入水泥混凝土中未见有新的水化产物产生，但增长了水泥水化的程度，早期加快了水泥水化的速度，使水化产物的量增多。在水泥混凝土中掺入纳米粘土材料可改善混凝土水化的孔结构，小孔量增加，大孔明显减少。提高了混凝土的密实度，提高其强度。掺纳米粘土材料提高混凝土强度和耐久性是减水增强，填充密实和晶核反应等多种作用的宏观表现[5-6]。
在有机复合材料工程领域，纳米粘土矿物的应用研究也在蓬勃兴起。比如，聚合物/ 粘土纳米复合材料是近10 年国内外在纳米复合材料领域的研究热点之一。这种纳米复合材料，与聚合物基体或微米复合材料相比，除了具有更加优越的力学性能、气密性、抗溶剂性、热性能;还具有阻燃的特性，为研究新一代高效、清洁、低烟、无毒聚合物阻燃材料开拓了新的途径，被国外誉为阻燃材料技术革命。
由于粘土具有层状结构的无机天然矿物，资源丰富，价廉易得，是聚合物工业中常用的填料。从可持续发展的观点来看，有关专家提出在矿产资源的开采和使用方面，应当由原来的粗放型向精细化转变，提高其使用价值，物尽其用。针对粘土特殊的层状结构，利用表面改性和纳米复合技术使粘土全部或部分以单晶层状态分布于聚合物基质中，提高聚合物基体的各项性能，实现了粘土由传统的体积填料向功能填料的转化，同时粘土片层的刚性、不可透性和纳米尺寸效应赋予聚合物以新的功能，在力学性能、热稳性、导电性、阻隔性能等诸多方面得到提高和改善。目前，粘土/塑料那米复合材料得到较多的研究和应用，并由此制备出一批具有特殊性能的新型材料。
这种新型的材料作为结构材料，粘土/聚合物纳米复合材料的物理力学性能与常规聚合物基复合材料相比，具有如下优点[7]：
（1）比传统聚合物体系质量轻，只需质量分数很少的填料即具有很高的强度韧性及阻隔性能。
（2）纳米复合材料具有优良的热稳定性和尺寸稳定性。
（3)力学性能有望优于纤维增强聚合物体系，因为层状硅酸盐可以在二维方向上起到增强作用，无需特殊的层压处理。
（4）纳米复合材料膜因硅酸盐片层平面取向，因此有优异的阻隔性能，有可能取代聚合物金属箔复合，且容易回收。
再有，利用纳米粘土材料的一些特性，通过添加复合我们还可以将其加工成具有一些特殊用途的的功能材料。
比如，有机-无机复合抗菌剂兼有有机抗菌剂的高效性、持续性和无机抗菌剂的安全性、耐热性。利用层间插入技术将有机抗菌剂引入到银离子交换过的层状粘土的层间隙中，这类硅酸盐具有足够的层间距离和耐热温度，在高温下使用时，银离子和有机抗菌剂可一起慢慢释放出来，可获得综合抗菌、防霉的效果。另外，纳米坡缕石也是金属离子型无机抗菌剂的优良载体。因此，我们就可以得到一种具有抗菌性能的功能材料【8-9】。
再者，坡缕石、海泡石是具有结构性纳米孔道的粘土矿物，其纳米孔道可在一维或多维尺度上分布。有人对海泡石-坡缕石族矿物的超临界氢吸附性能进行了研究，并对矿物储氢的机制进行了探讨。还有人研究了蒙脱土在复合贮能材料
方面的应用，利用插层复合法制备了NPG-TAM/蒙脱土纳米复合材料，结果表明该材料具有较适宜的相变温度和相转变焓，同时较好地解决了多元醇单独使用时存在的塑晶现象。因此，我们可以制备成储能材料[10]。
结束语
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。但是，在纳米粘土的制备、加工和应用中都存在一个比较棘手的问题，即纳米微粒的团聚问题。纳米微粒由于具有很高的表面活性而容易团聚，分散性差，这是纳米材料在实际应用中存在的一个普遍问题。为避免纳米微粒的团聚，应及时对微粒表面进行修饰处理，使其稳定而不再发生团聚。选择合适的表面处理方法(表面化学改性或包覆改性以及分散稳定方法是避免团聚现象的关键环节。另外，对于纳米粘土，特别是聚合物基纳米复合材料的研究尽管十分热门，但由于其结构复杂，加上纳米粒子具有的量子效应、表面效应等，对它的研究还不够深入。目前，聚合物/粘土纳米复合材料的制备技术有些已十分成熟，然而大规模应用问题至今尚未能很好地解决，从而在一定程度上限制了其发展。而且，目前对于纳米粘土的研究，主要集中在聚合物/粘土纳米复合材料方面，而对其它领域研究相对较少。因此，纳米粘土许多新的特性及应用领域还有待进一步研究和开发。
参考文献
[1]乔放,李强,漆宗能.聚酰胺/粘土纳米复合材料的制备、结构表征及性能究，高分子通报[J].1997,(3)：135-143.[2]戴清清,宋绵新.粘土矿物在水污染治理中的应用发展概述,矿业快报
[J].2005,(2）：428
[3]林亚萍,皮振邦,田熙科,等.蒙脱石对戊二醛的吸附及其控释研究,应用化工
[J].2004,33(5)：45-47.[4]汤庆国1沈上越 2梁金生1，梁广川1，欧秀琴1，王丽娟 1，丁 燕1(1．河北工业大学能源与环保研究所，天津300130；2．中国地质大学材料科学和化学工程学院，武汉430074).粘土矿物的药理作用及其医药应用,中国制药机械设备网[J].2007-1-26
[5]仲晓林,孙跃生,仲朝明,朱泽民,李维霞.纳米粘土材料对水泥混凝土作用机理的研究.全国中文核心期刊[J].2006,(04):198.[6]仲晓林,李顺凯,孙跃生,仲朝明,于秀斌.纳米粘土材料对水泥混凝土性能的影响,全国中文核心期刊[J].2005,(08):190.[7]吴人洁,复合材料,天津大学出版社,2000,12:298
[8]Noriko Chrikaraishi Kasuga , Kiyoshi Sekino , Moto ki Ishika-wa , et al.Synt hesis , st ruct ural characterization and antimicro-bial activities of zine(Ⅱ)co mplexes wit h four t hio semicarba2zone and t wo semicarbazone ligands [ J ].Journal of InorganicBiochemist ry , 2003 ,96 ,(2-3):298-310.[9]胡发社,罗淑湘,杨飞华,等.新型无机抗菌剂载体-天然纳米坡缕石显微表面结构研究[J ].中国非金属工业导刊,2001(5):12-15.[10]蒋长龙,于少明,杭国培.NPG-TAM/蒙脱土纳米复合贮能材料的研究[J ].合肥工业大学学报,2004 ,27(10):1281-1283.
第五篇：粘土矿物治理重金属污染的探讨
粘土矿物治理重金属污染的探讨
00812084 张凭跃
摘要：本文综述了污染土壤的重金属来源，分析了粘土矿物的结构特点，阐述了粘土矿物治理重金属污染的机理和应用实例，指出了随着人们认识、技术水平的提高，粘土矿物在治理重金属污染中将发挥重要的作用。
关键词：粘土矿物 重金属 净化
在治理污染土壤的过程中，重金属污染物是一类典型的优先控制污染物，许多世界著名的环境公害事件都证明与重金属污染有关。美国、日本、德国及其它欧共体国家先后将其列入优先控制有机无机污染物黑名单与灰名单。长期以来有关重金属污染物在环境中的迁移动态、形态转化和生态效应也成为国际环境科学领域的研究热点。土壤重金属污染主要是由于采矿、冶炼、化工、电镀、电子和制革等工业产生的含重金属废弃物进入土壤，以及污灌、农药、化肥、垃圾、粉煤灰和城市污泥的不合理施用引起的，重金属进入土壤后，由于不能被微生物分解，而能被生物富集和积累，重金属在土壤中积累到一定限度就会对土壤——植物系统产生危害，并有可能通过接触、食物链等途径直接或间接地危害人类。据Assaway的估算，进入土壤的重金属，在没有外来继续进入，只通过植物吸收使其在土壤中消失的时间：As和CA 为100年；Cu，Mn，Mo和Zn为1 000年；Co，Pb，Ni，Cr和V为10 000年。因此，土壤的重金属污染与治理一直是国际上研究的热点与难点问题，也是我国农业可持续发展和环境质量改善中许多学科共同感兴趣的问题。
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。但这些方法普遍成本较高。由于粘土矿物来源广，价格低廉，具有化学、机械稳定性好，多孔隙率等特点，利用粘土矿物治理重金属污染，已经受到人们的关注。污染土壤的重金属来源
污染土壤是指土壤中的某一物质或多种物质因含有足够的数量或浓度从而表现对特定目标或对象有直接或间接的危害，这样的土壤称为污染土壤，其主要污染源有工业、生活、交通和农业污染源。
1.1 工业污染源
重金属主要来自于采矿业、钢铁业、金属处理与加工业、化学与制药工业、石油加工业、纺织工业、印染业等。例如，美国蒙大拿州某有色冶金企业每年排人大气中的锌约5 t，镉约250kg，其周围地区土壤表层0～2.5 cm内锌的含量很高，离厂1．8km达1 090 mg／kg，离厂3．6km为233 mg/kg，离厂7．2km 为48 mg/kg。在上述距离土壤中镉的含量分别为37mg／kg，17mg／kg和4 mg／kg，可见冶金企业排放的废气对周围环境有明显的污染，而且离厂越近，污染越严重。我国现有的国营矿山企业8 000多个，个体矿山达23万多个，由于种种条件的限制国内许多矿山废弃物未经任何处理就任意排放与堆置，造成了较为严重的环境污染问题。
1.2 生活污染源
我国每年都有相当一部分生活垃圾不能处理，运到城郊农地上堆存，其渗滤液中含有大量的重金属，从而污染土壤。据A A别乌斯等资料，在垃圾堆放场周围土壤(0～ 20cm)中某些化学元素的含量比远离堆放场的高得多，如距垃圾堆放场50m、100m、250m土壤中铜的质量浓度分别为300 mg／kg，100 mg／kg，40 mg／kg，Pb、Zn、Cr、Ni也是距垃圾场越近，其含量越高。
1.3 交通污染源
机动车排放的废气对土壤环境产生影响，不仅表现在公路两旁土壤中氮氧化物、碳的氧化物和碳氢化合物明显增加，而且公路两旁土壤中铅的含量明显增加，且距公路越近，铅的含量越高。在瑞典距离公路5．5m的土壤中易溶性铅和难溶性铅的质量浓度分别为9．9 mg／kg和33．4 mg／kg；距离20m的土壤中，分别为2．7 mg／kg和22 mg／kg；距离40 m的土壤分别为2．2 mg／kg和7．6 mg／kg。由于公路两旁受铅的污染，其上植物中铅的含量往往比其它地区高。在德国，公路旁青草中铅的质量浓度为34～ 50 mg／kg，而清洁地区仅2～ 3 mg／kg，甜菜叶子中含铅量为25～ 32 mg／kg，超过欧洲经济共同体规定的标准1．5～ 2．2倍，甜菜和马铃薯茎中铅的质量浓度分别达70 mg／kg和100 mg／kg，白菜、菠菜中铅的质量浓度也都较高。
1.4 农业污染源
某些农药在其组成中含有汞、锌、铜、铁等重金属，经常施用这些农药易引起重金属污染。另外，我国北方和西北地区由于年降雨量较少，雨量年分布变异大，因此污灌面积逐年扩大。而工业废水中含有大量CA、Hg、Pb、As等，不恰当的污灌将会造成土壤重金属污染。粘土矿物的结构特点
粘土矿物主要是由粒径<2µm的层状硅酸盐矿物组成，它具有二维网格状延展的Si—O 四面体骨架。由硅氧四面体共3个角顶连接成二向展平的六方网层，称四面体片。其一侧的活性氧需要大小适宜的阳离子相配位以使电荷平衡，且与氧和羟基构成配位八面体，八面体共棱连接构成八面体片。四面体片和八面体片通过共用活性氧组成层状硅酸盐结构单元层。若结构层由一个四面体片和一个八面体片组成，称为T—O层或1：1层；若结构层由一个八面体片和两个指向相反的四面体片组成，则构成T—O—T层或2：1层。对应于四面体片的一个六方环，包含有3个共棱的八面体，如果八面体阳离子为2价时，这样的结构层称为三八面体层；同理，如果为3价，则称为二八面体层。结构层彼此堆垛相连，构成了层状结构硅酸盐矿物的特有结构。若结构层内的正负电荷已经达到平衡，那么结构层之间只能以微弱的分子键或氢键相联系。如果未达到平衡而有多余的负电荷(层电荷)时，例如由于Al置换Si，为达到正负电荷的平衡，势必导致层间存在一定数量的金属阳离子，如K 或Na 等，借助于其间的离子键力，使结构层彼此相连，它的键强会比分子键或氢键强的多。因此，当单元层内部电荷未达平衡时，单元层间的空隙—— 层间域中将有一定量的阳离子充填，如Na、K、Ca离子等，还可以吸附其他物质。主要粘土矿物的性能
一般来说，粘土矿物可分为三大类，即高岭石类(由一层硅氧片和一层水铝片组成，属1：1两层型粘土矿物)；蒙脱石类(由两层硅氧片夹一层水铝片结合而成一晶层，属2：1三层型粘土矿物)；伊利石类(由两层硅氧片夹一层水铝片结合而成一晶层，属2：1三层型粘土矿物)。
3．1 蒙脱石的主要性能
蒙脱石是一种具有膨胀性、呈层状结构的含有少量碱和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。蒙脱石每个单位晶胞由两个硅氧四面体与一个铝氧八面体平行链所组成，在每个晶体构造层间吸附和放出水分子。蒙脱石具有较高的阳离子交换性能，表现出较强的吸附性，且容易使颗粒分裂成很细的带电粒子。此外，蒙脱石晶体构造层间亦可以有有机物的存在。
3．2 高岭石的主要性能
天然高岭石由于其粒径极细，往往呈胶体微粒而吸附其它杂质，而且粒径细者交换吸附能力相对增高。但是，与其它粘土矿物相对比，高岭石的阳离子交换能力较低。这主要归因
于结构单元层内部已达到电性中和状态，对阳离子的吸附作用仅限于颗粒的周际或裂隙中。然而，由于结构单元层的外表OH一离子的存在，高岭石的阴离子交换能力相对较高。此外，高岭石在颗粒界面上也可吸附有机分子。
3．3 伊利石的主要性能
伊利石是一种隐晶一微晶状白云母粘土矿物，伊利石的晶格与蒙脱石相似，不同点在于在伊利石的四面体中有大约1／6的+4价Si离子被+3价Al例子置换，为平衡多余的负电荷，结构中将近有1～1.5个K离子进入结构单元层之间，这些K离子似乎起着桥梁作用，把相邻的两层紧紧结合在一起。粘土矿物对重金属污染物的净化机理
4．1 吸附作用
吸附作用是粘土矿物的重要特性之一，包括物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三类。产生物理吸附是由于粘土矿物具有较大的表面积，即具有较大的表面能，吸附作用的进行，引起系统表面自由能的减少。化学吸附是指由粘土矿物与吸附质之间的化学键力而产生的吸附。粘土矿物带正电荷，阴离子集团可以通过静电引力吸附在粘土矿物的边面上。当介质中存在中性电解质时无机阳离子可以在粘土矿物和阳离子型聚合物之间起“桥接”作用，使高聚物吸附在粘土矿物的表面上。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。高岭石没有或很少有同晶置换，层电荷几乎为零，永久电荷极少，负电荷主要来源于结构边缘的断键或暴露在表面的羟基的解离。云母属2∶1 型结构，其结构中有四分之一的Si4+被Al3+置换，单位化学电荷数为1，同晶置换所产生的负电荷由晶层钾离子来平衡。蒙脱石的电荷来自八面体片中Mg2+对Al3+的同晶置换。依据这一原理，环境中的重金属元素就可被粘土矿物固定，失去了进一步污染环境的目的，达到治理重金属污染的目的。
4．2 配合作用机理
配合作用主要分为表面配合作用和晶间配合作用两种。红外光谱分析证明，硅酸盐中有大量SiO44-、AlO45-基团，在固-液体系中硅酸盐颗粒表面可以与水形成水合氧化物盖层，表面呈负电性，有利于配合作用产生。在粘土矿物层与层之间是分子引力相联结，重金属离子可以进入层间与SiO-发生配合作用。
粘土矿物羟基化表面可以通过静电作用与溶液中的离子发生表面配位反应，如Pb2+能与高岭石表面进行配位反应。由于层状硅酸盐矿物结构单元层外层存在着羟基基团，结构单元层之间的键力联结较弱，重金属离子可以进入层间与羟基发生配合作用，因此在其晶体内部的相邻两结构单元层之间，也存在显著的配合作用。如高岭石为T-O 型层状硅酸盐矿物，重金属离子可以进入层间与八面体片中的羟基发生配合作用。粘土矿物与重金属离子的配合作用受矿物的层电荷分布、重金属离子的水化热、电价、离子半径和有效离子半径等因素控制。
4．3 共沉淀作用
共沉淀作用是指粘土矿物可以通过自身溶解作用所产生的阴离子可与重金属元素产生共沉淀作用，从而降低重金属的可移动性及生物有效性。早期的研究表明，磷灰石去除土壤中的重金属主要是通过吸附作用，而Mectal 则认为污水中铅的去除基本上是通过磷灰石的溶解作用,而后沉淀出Pb(PO4)3(CO3)3，(F,OH)或Pb3(CO3)2(OH)2。对于Zn、Cd 两种元素也有类似的沉淀的反应，在酸性条件下，Zn形成了磷锌矿(Zn3(PO4)2 •4H2O,pH=6)，Cd 形成了CdCO3(pH=3~6)，在碱性条件下，Zn 形成了ZnO(pH=8~12),Cd 形成了Cd(OH)2(pH=8)。粘土矿物治理重金属污染的研究实例
何宏平等通过蒙脱石、伊利石和高岭石三种粘土矿物对+2价Cu离子、+2价Zn离子、+
2价Cd离子、+2价Pb离子、+3价Cr离子五种重金属离子的吸附研究，结果表明，蒙脱石对+3价Cr离子、+2价Cu离子有很好的选择性，伊利石和高岭石对+3价Cr离子、+2价Pb离子有较好的亲和力。柯家骏等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：Cu（+2）>Zn（+2）>Ni（+2）>Cd（+2）。李红阳等通过实验表明，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。
古映莹等对高岭土进行表面改性制备了高岭土一MBT(聚苯乙烯)复合体，考察了对溶液中重金属离子的吸附性能。结果表明，高岭土一MBT复合体对水中+2价Pb离子、+2价Hg离子、+2价Zn离子的吸附能力明显优于纯高岭土和仅经过表面处理的高岭土。金漫彤等利用偏高岭土、碱激活剂等合成了土壤聚合物，并进行了含重金属废物的固化。结果表明，对Zn抖、Pb抖、Cu 和Cd 捕集效率高，浸出毒性能达到国家标准。粘土矿物修复土壤重金属污染发展方向
6.1 根据粘土矿物材料对肥料养分的控释作用，粘土矿物修复材料可与肥料相结合，发挥其双重作用。
6.2 针对土壤重金属污染特点和修复要求的差异，可将多种粘土矿物按照一定的比例混合在一起或将粘土矿物修复与其他修复方法相结合，后者称之为联合修复，以便克服各自的缺点，提高性能，达到更好的修复效果。
6.3 对粘土矿物进行物理加工，改变其性质，提高修复功效。如粉碎粘土矿物不仅可以提高其对重金属的吸附性能，而且还可以形成不可逆吸附。
6.4 对粘土矿物有关改性方面的研究。如将多重改性或性能更好的改性粘土矿物引人土壤重金属修复领域，以提高其对土壤中重金属的吸附与固定能力，使被固定的重金属不易重新释放出来，产生二次污染。结语
粘土矿物在重金属污染治理中有着独特的作用，开发储量丰富、价格低廉的粘土矿物，并对有一定净化功能的粘土矿物进行合理改性，是治理重金属污染的新途径，这种方法具有设备简单、操作简便、二次污染小等优点。目前，利用粘土矿物治理重金属污染，大都处于研究阶段，实际的应用不是很多。随着人们对粘土矿物净化重金属污染机理的深入认识，以及粘土矿物加工改性技术的不断开发和应用，粘土矿物在重金属污染治理中，将会发挥重要的作用。
参考文献
陈英旭．环境学．中国环境科学出版社，2001
聂永丰． 三废处理工程技术手册(固体废物卷)．化学工业出版社，2002
陈武，季寿元．矿物学导论．地质出版社，1985
程争光，沈上越，范力仁，等．伊利石高吸水性复合材料的制备工艺研究．化工矿物与加工，2006
孙胜龙，龙保永，蔡保丰．非金属矿物修复环境机理研究现状．地球科学进展，1999 吴宏海，吴大清，彭金莲．重金属离子与石英表面反应实验研究．地球化学，1998
何宏平，郭九皋，谢先德，等．蒙脱石等粘土矿物对重金属离子吸附选择性的实验研究． 矿物学报，1999
柯家骏，陈淑民，胡向福，等．膨润土粘土矿物吸附重金属的研究．重庆环境科学，1993
李红阳，牛树银，王宝德．矿物材料与环境污染治理一以粘土矿物和沸石为例．北京地质，2001
古映莹，程化，邓鹏，等．高岭土一MBT复合体对某些重金属离子吸附性能的研究． 精细化工中间体，2002
金漫彤，沈学优．土壤聚合物制备及其固化重金属离子的研究． 化工环保，2005 吴平霄.黏土矿物材料与环境修复.北京化学工业出版社，2004
杭小帅，周健民，王火焰，沈培友.粘土矿物修复重金属污染土壤.环境工程学报，2007 杨秀红，胡振琪，张迎春.利用工业矿物治理重金属污染土壤的探讨.金属矿山，2003 周启星，宋玉芳.污染土壤修复原理与方法.北京科学出版社，2004
点击咨询 