污染物净化性能：矿物材料对环境治理与修复的研究

天然环境矿物材料是指能够直接利用其物理、化学性质用于环境污染治理与修复的矿物（岩石）功能材料，它与生态环境具有良好的协调性，如膨润土、沸石、珍珠岩、硅藻土、蛭石等。环境矿物材料独特的晶体结构，对环境中的重金属离子具有吸附和固定的作用，其性能特征主要体现在表面吸附性、膨胀性、离子交换性、中和性和氧化还原性。天然矿物对污染物的基本净化性能主要体现在以下方面。

（一）环境矿物材料的表面吸附作用

矿物表面吸附作用受矿物表面物理和化学特征的控制，比表面积大的表面和极性表面往往具有很强的吸附作用。天然矿物表面化学性质取决于其化学成分、原子结构和微观形貌。自然界中环境矿物表面通常与环境界面的大气、液体和其他物质之间接触，表面吸附作用是指矿物界面对其他物质的吸纳作用。一般矿物表面的化学成分很少能代表其整体性，矿物表面一旦暴露在空气中很容易发生氧化甚至碳化与氮化作用。矿物表面微形貌特征在很大程度上影响着其表面活性强度，有利于化学吸附的条件是由表面-吸附质成键作用的增强和表面内与被吸附分子中成键作用的减弱之间的平衡来决定。

（二）环境矿物材料的孔道过滤作用

矿物的孔道过滤作用表现为矿物过滤作用和孔道效应。多数矿物均具有孔道结构特征。某些矿物具有与过滤材料同样的特征，如机械强度高、化学性质稳定、比表面积大、有一定的粒度级配。目前广泛使用矿物材料去除水中色度、有机污染物、氨氮及较大原生动物及蠕虫等。矿物孔道效应包括孔道分子筛、离子筛效应与孔道内离子交换效应等。过去认识到的具有孔道结构并具有良好过滤性的矿物包括沸石、黏土、硅藻土、蛋白石等，新近发现磷灰石、电气石、软锰矿、硅胶等也具有良好的孔结构特性；另外，蛇纹石、埃洛石管状结构以及蛭石膨胀孔隙等也表现出优良的孔道性能，近年来也同样备受关注。

（三）环境矿物材料的离子交换作用

某些环境矿物也具有良好的离子交换作用，主要发生在矿物表面、孔道内与层间域，如碳酸盐和磷灰石等离子晶格矿物表面、沸石和锰钾矿等矿物孔道内及大多数黏土矿物层间域等。膨润土具有比表面积大、阳离子交换能力强等性能，可与水中的阳离子型污染物发生交换作用，从而可以有效阻止重金属离子、放射性元素在自然环境中的扩散与迁移。方解石和文石表面的Ca2+可与水溶液中Pb2+、Mn2+、Cd2+等阳离子发生交换作用，它们被固定在碳酸盐表面的形式分别是碳酸铅、碳酸锰和碳酸镉。磷灰石可在常温常压下用其表面晶格中的Ca2+与溶液中阳离子Pb2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、Mn2+广泛发生交换作用。天然沸石对一些阳离子有较高的离子交换选择性，水合离子半径小的离子容易进入沸石格架进行离子交换，交换能力就强。锰钾矿晶体结构中补偿负电荷的阳离子和结合力相当弱，容易与其他离子发生离子交换作用，因而同样具有阳离子交换性质。(www.xing528.com)

（四）环境矿物材料的化学活性作用

矿物化学活性作用体现在矿物溶解和结晶效应、水合效应、氧化还原反应、配位体交换、沉淀和转化催化作用等。如黄铁矿微溶与还原作用、软锰矿氧化作用、硫化物沉淀转化作用等，其中酸碱反应与矿物表面吸附作用密切相关。这些化学活性作用过程都伴随着对多种污染物的净化作用。溶解作用包括溶质分子与离子的离散和溶剂分子与溶质分子间产生新的结合或络合，表现为物质结构“相似相溶”。水合作用往往伴随着矿物体积增大，如硬石膏发生水合作用形成石膏后体积可膨胀30％，则含水矿物是岩石圈与水圈交互作用的产物。自然界由变价元素（S、Fe、Mn）组成的矿物在自然环境中极不稳定，变价组分受到氧化作用使化学成分发生变化造成其结构缺陷的发生，从而间接提高矿物反应活性。

（五）环境矿物材料的物理效应作用

矿物物理效应包括矿物光学、力学、热学、磁学、电学、半导体等性质，如方解石的热不稳定性的固硫效应、堇青石热稳定性可用来制作多孔陶瓷的除尘效应、天然硅石的热膨胀性可改善煤燃烧过程中氧化气氛以防止硫酸钙分解而提高固硫率的效应、利用部分金属矿物的磁性和半导体性除杂及有机物等。当前的污水非生物学处理技术基本上都属于分离过程，即将污染物分离或浓缩，或将污染物从一种物相转化到另一种物相，并没有使污染物得到破坏而实现无害化，通常不可避免地带来废料或二次污染。光催化降解法是一种高效的深度氧化过程，可以将水体中的卤代烃类、脂肪、羧酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂等较快地完全氧化为CO2和H2O或HCl等无害物质，达到除毒、脱色、除臭的目的。

（六）环境矿物材料的纳米效应作用

纳米效应是因纳米矿物具有纳米材料的表面效应、小尺寸效应和量子效应，且与矿物的结晶粒度密切相关。自然界中颗粒特别细小的矿物产生于地壳表层氧化带和水化作用带。纳米多孔矿物材料主要用于催化领域和处理一些有害物质的吸附领域。利用纳米级水聚合二氧化硅对可溶性金属阳离子的强吸附研究表明，被吸附的金属能够长期稳定存在，而不易被解吸出来，正是由于纳米级水聚合二氧化硅的特殊化学性质能够使其对过渡金属产生成键吸附，这些奇妙的矿物纳米效应在净化污染物方面有着不可替代的独特作用。