常见粘土矿物对氮磷的吸附及其机理研究进展

常见粘土矿物对氮磷的吸附及其机理研究进展

邱语嫣，唐翠华*，武文祺，徐文权，胡允升

（长江大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430100）

摘要： 粘土矿物是土壤和沉积物的重要固相组成，也是一种廉价易得的高效吸附材料，可以有效去除污水中的氮磷等污染物。本文归纳总结了常见粘土矿物的结构特征，列举了常见粘土矿物脱氮除磷的效果。并且在此基础上，阐述了粘土矿物吸附氮磷的基本机理。以期为粘土矿物的进一步改性和利用，提供一定的参考依据，达到开发利用价廉、高效、环保的脱氮除磷矿物材料的目的，具有重要的理论实践意义。

关键词：土壤，粘土矿物，氮，磷，吸附，吸附机理

中图分类号：                  文献标志码A

在大规模现代农业发展中，肥料对农业生产总量的提升是不可或缺的，而肥料的不合理施用也会造成一系列的生态环境问题。例如氮、磷是植物的重要营养元素，但若氮元素肥料过量使用，农作物对其吸收效率较低，停留在土壤表层中的大量氮元素，在水循环的过程中会在土壤中下层进行富集，进而汇入地下水，导致地下水污染[1]。此外，有研究发现磷矿开采过程中也会存在一些污染现象。就现有的磷矿加工技术来看，大量的含磷、氟、硫等多种有害物的废水排出[2]。氮、磷的超标是导致水体恶化的两大元凶，不仅影响了水资源的开发与利用，同时也严重影响了人类和水生动植物的生命活动。在污水治理中，吸附法因其材料原料廉价易得、方法操作简单易行等优点受到了广泛地应用，矿物就是一类高效廉价的吸附剂[3]。近年来人们研究既能去除水体中的氮、磷，又可将其回收用作肥料的脱氮、脱磷方法，因此，吸附法脱氮除磷是受人们关注的方法。

土壤固相部分的95%以上均由土壤矿物组成。土壤和沉积物能通过稀释、扩散、挥发、氧化还原等作用方式在一定程度上实现自净，吸附是最常见的一种自净作用。粘土矿物等典型土壤矿物因其结构的特殊而具有较强的吸附能力，在土壤自净过程中发挥着极其重要的作用[4]，因而具有一定的环境意义。

本文主要综述了常见的几种土壤粘土矿物的结构特征，讨论了粘土矿物对氮磷废水的吸附特征，以及粘土矿物改性方法和改性效果，并分析探讨了粘土矿物及其改性产物吸附氮磷的吸附机理。

1 常见土壤粘土矿物及其吸附特征和机理研究

土壤矿物是土壤中具有一定化学成分和物理性质的各种原生矿物和次生矿物的总称，包括土壤固相物质中除有机质和生物体以外的所有无机质部分，在土壤和沉积物中，粘土矿物是一类结构特殊的矿物，除海泡石、坡缕石具链层状结构外，其余均具层状结构，颗粒细小，粒级属于胶体范围，具有比表面积大的特点。蒙脱石具有典型的两层硅氧四面体片层夹一层铝氧八面体层的2:1型层状结构，结构单元层之间具有层间，具有吸附水分子、有机质和其他离子的能力。高岭石也是粘土矿物中最常见的一种，由硅氧四面体层和氢氧铝石八面体层两层基本结构层组成。沸石是一种含水的架状结构铝硅酸盐，由硅氧四面体和铝氧四面体组成，结构较为致密。

各领域的学者们也开展了大量关于常见粘土矿物在脱氮除磷方面的研究工作，全面分析了其对氮磷的吸附特征和吸附规律，进一步深入探讨了其中的吸附机理。王小波等人[5]开展了高岭石、沸石、蛭石和云母四种矿物去除水体中氮磷效果研究表明，四种粘土矿物对氮磷的吸附速率很快，且对氮磷吸附具有一定的pH选择性，在pH值为10时氮磷的去除效果都较好。沸石孔穴和孔道的直径于氨氮微粒的直径相近，利用沸石晶体内部阳离子对外部离子的选择交换的化学过程，对溶液中的NH4+进行离子交换，因此沸石对氨氮有很强的选择吸附性能[6]。

2 改性对粘土矿物吸附氮磷的影响

粘土矿物本身具有一定的吸附性能，但作为一种高效的环境修复材料还不够理想，所以常见粘土矿物进行改性以进一步优化结构，提高其对氮磷废水的吸附性能是目前学者们仍可进一步深入开展的工作。

为了高岭石能在氮磷废水治理中有更好地应用，前人在高岭石改性方面也作了大量的研究工作。陈雪梅等人[7]用硫酸铝改性高岭土，考察pH、吸附剂加入量等因素对氮磷的去除效果影响，得出了改性高岭土去除废水中氮磷的最优条件。

天然沸石虽然有很多孔道，但由于含有一些杂质，对氨氮的吸附能力很受限。因此，学者们常采用无机盐改性、氧化物负载等方法对天然沸石进行处理，改性后的沸石对氮磷物质的吸附效果大大提高。天然沸石几乎没有去除磷酸盐的能力。鲁秀国等人[8]用AgNO3改性天然沸石，研究发现，沸石中负载的Ag+能与氨氮形成结合能力较强的络合键，增强了吸附能力；同时，AgNO3的强氧化性也可氧化沸石表面的还原性物质，使沸石变得更粗糙多孔，吸附性能增强。

此外，蒙脱石改性及其在除氮脱磷方面的研究也有相关报道。例如，普红平等[9]在前人研究的基础上首次使用微波稀土改性膨润土制备吸附剂，发现稀土改性后的膨润土对磷的去除率提高了近100倍。袁檬[10]利用AlCl3、CaCl2等无机盐改性膨润土，对于氨氮来说，

CaCl2改性效果最佳，AlCl3改性则磷酸盐去除效果最好。

3 结语

粘土矿物的矿物学特性决定了其良好吸附性能，对其进行改性处理能增强粘土矿物的吸附性能。粘土矿物资源丰富且多样，具有成本低廉、环境友好等优势，具有广阔的应用前景。在已有研究基础上，粘土矿物吸附氮磷物质还有以下方面仍需加强。

（1）粘土矿物的改性仍集中在常见的几种，如高岭石、沸石等，矿物改性的种类选择上仍有待进一步研究。

（2）粘土矿物改性方法的开发以及改性后其微观结构的变化需更深入和系统研究，借助一些现代微观分析技术和设备，从分子、原子水平进一步深入认识粘土矿物及其改性产物与氮磷物质间的微观作用机理。

参考文献

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[4]汤艳杰,贾建业等,粘土矿物的环境意义,地学前缘,9(2) (2002) 338-344.

[5]王小波,王艳,卢树昌等.四种黏土矿物对水体中氮、磷去除效果的研究[J].非金属矿,2009,32(01):70-72.

[6]蔡燕勇.沸石吸附水中氨氮的影响因素研究[J].供水技术,2017,11(04):21-23.

[7]陈雪梅，邵冰. 改性高岭土对水体中氮磷去除的实验研究[J]. 科学教育研究，2015,51：107-108.

[8]鲁秀国,盘贤豪,郑宇佳.改性及天然沸石对水中氨氮吸附性能的研究[J].离子交换与吸附,2020,36(06):520-529.

[9]普红平，梅向阳，黄小凤. 微波稀土改性膨润土制备吸附剂除磷的研究[J]. 应用化工，2006，35：935-938.

[10]袁檬. 膨润土改性和造粒对水中营养盐的吸附性能研究[D]. 湖北大学，2016.