第一篇：納米粘土礦物的研究概況及應用技術特點（模版）

納米粘土礦物的研究概況及應用技術特點

張廣川

（河北工業大學材料學院，天津300130）

摘要介紹了納米粘土礦物的概況，指出納米粘土礦物除了蒙脫石外，還有高嶺石、海泡石、蛭石、坡縷石、累脫石等。闡述了納米粘土礦物的應用情況。例如，環境保護領域,以及醫藥、工程領域應用現狀。

關鍵詞納米粘土，蒙脫石，比表面積，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

信息技術、生命科學技術和納米技術是21世紀的主流技術，其中納米技術又是信息技術和生命科學技術持續發展的基礎。納米料在化學、電子、冶金、宇航、生物和醫學等領域展現出廣闊的應用前景。

目前人工納米材料的制備方法均需要較高成本，如物理的蒸發冷凝法、離子濺射法、機械研磨法、等離子體法、電火花和爆炸法，以及化學的液相反應法、氣相反應法和固相反應法，菲的價格使一些民生工業望而卻步。

與傳統的納米材料制備技術相比，納米粘土具有原料豐富、工藝簡單、成本低廉等特點因此，納米粘土的研究成為材料科學研究的一個熱點。

簡介

所謂的納米材料，從尺寸大小來說，通常產生物理化學性質顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米＝100厘米，1厘米＝10000微米，1微米＝1000納米，1納米＝10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。納米級結構材料簡稱為納米材料(nano material)，是指其結構單元的尺寸介于1納米～100納米范圍之間。由于它的尺寸已經接近電子的相干長度，它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同于該物質在整體狀態時所表現的性質。而納米粘土礦物就是指從尺寸大小來講具有納米級尺度并且具有一定納米特性的粘土礦物。納米粘土的研究最先涉及到的粘土是蒙脫土[1]，且由于其本身的特性，對納米蒙脫土的研究最為廣泛且最為深入，目前已投入工業化生產階段。

因此在許多參考文獻中，納米粘土指的就是納米蒙脫土。從粘土礦物的分類可看出，粘土礦物有很多種類型，且具有不同的結構與性質。而且目前對于納米粘土的研究，涉及到的粘土礦物除了蒙脫石外，還有高嶺石、海泡石、蛭石、坡縷石、累脫石等。

概況及應用

現如今對納米粘土礦物材料的研究非常廣泛。主要進行的研究有納米粘土礦物在環境治理領域的研究；納米礦物對橡膠增強增韌的機理研究；納米粘土礦物材料在醫藥、保健品中的應用研究等等。

應用于環境治理領域

如隨著科學技術的不斷發展，人們在享受科技成果的同時，也造成了對自身生存環境的污染。目前，對于環境污染，特別是對水污染的治理，主要采用活性污泥法和粉未活性碳投料——活性污泥法兩種，但由于活性污泥存在著對水質變動敏感，容易膨脹等缺陷，并且活性價格昂貴，投放量難以增加，所以開發一種新型的材料是很有意義的，納米粘土礦物具有較大表面積，吸附性能好，價格較便宜，被越來越多的應用于污水治理的研究中。

在粘土礦物中，硅、鋁、氧氣是其中最主要的元素。在這些粘土礦物中，碳和氧結合生成硅氧四面體，鋁和氧結合生成了鋁氧八面體，其中硅氧四面體分布在同一個平面內，彼此以3個角頂相連，從而形成二維延展的網層即四面體片，用T表示。同樣，鋁氧八面體共用邊角形成了八面體，用O表示。這些硅氧四面體片和鋁氧八面體片又共用氧原子，將不同的片結合在一起，形成層狀結構。

由一片鋁氧八面體和一片硅氧四面體結合在一起形成層，氫鍵將這些層結合在一起，生成了TO型(1∶1型)，這類礦物層間不帶電荷，陽離子交換容量(CEC)很低，高嶺石為最典型的TO型粘土礦物。兩個硅氧四面體片中間夾一個鋁氧八面體片生成層，這些層再堆積在一起，生成TOT型(2∶1型)，常見的TOT型粘土礦物有伊利石，蒙脫石，蛭石等。在TOT型粘土礦物中，常存在著同晶置換，即四面體中的Si4+被Al3+所置換，或者八面體中的Al3+被Fe3+，Mg2+或Fe2+等置換，或者是兩種置換均發生。這種類型稱為2∶1∶1型。但是這種置換并不改變礦物的晶體結構。由于通常是高價陽離子被低價陽離子置換，常見的TOT型粘土礦物帶有永久性負電荷，存在于硅氧四面體和鋁氧八面體中，或者兩者兼有，必須由陽離子來中和，由此造成TOT型粘土礦物具有相對較高的CEC，大小主要取決于同晶置換程度。

利用這一結構特性，使得粘土礦物就具有了在污水處理中的使用前景。粘土礦物對于重金屬離子、有機物、陽離子染料分子等的吸附主要有表面吸附和離子交換吸附。表面吸附是一種或多種化學物質在表面的富集。只有具有較大的表面積，例如高度分散的細粉或多孔的固體，才具有較大的表面能，才能作為良好的吸附材料。離子交換吸附是為了平衡電荷常需要吸附環境中的異號離子，如上述的2∶1∶1型粘土，為了消除電價不飽和，就要在層間吸附其它陽離子來進行置換，以達到吸附目的【2】。

吸附作用還可以分為選擇性吸附和非選擇性吸附。選擇性吸附是屬于化學吸附，受可變電荷表面的電量控制，非選擇性吸附即通常所說的交換吸附，屬于靜電作用，受礦物所帶的永久電荷量控制，主要是在粘土結構單元之間的空隙進行的。

吸附能力的大小取決于活性表面的多少及表面電荷密度，而能否吸附則與粘

土礦物的自由孔徑有關。如果被吸附的離子團或分子直徑大于粘土礦物自由孔徑，使離子團或分子難以進入粘土礦物內表面，吸附便只發生在外表面，從面降低了吸附效果。而納米粘土礦物就具有大的比表面積、優良的表面活性等特性。有利于其對污水中的重金屬離子、有機物、陽離子染料分子等的吸附主要有表面吸附和離子交換吸附。

由于粘土礦物的資源豐富，價格便宜，被越來越多的應用于環境保護中。目前，用于污水處理的主要是膨潤土、凹凸棒石、坡縷石、海泡石、硅藻土等幾種，海泡石更多的是應用在催化方面，粘土礦物在環境保護中還有其它的用途，如空氣凈化，土壤的凈化，地下水的修復[27]等，因此對粘土礦物應用的研究還有更大的發展前景。

在醫藥、保健品中的應用研究

粘土礦物因有大的比表面積，豐富的孔隙率，良好的吸附性能，較高的吸附容量和離子交換能力等，已作為很多藥物的活性成分和藥物輔料，被廣泛用于胃、腸道疾病，急慢性腹瀉，皮膚病及風濕病的治療。隨著人們對粘土礦物性能和治病機理研究的深入，粘土礦物作為天然無毒副作用藥物材料的研究越來越受到重視。

例如，由于海泡石具有大的活性表面，可以保持活性產物，又因其表面的低交換性能與三價鐵的含量低，可用作制藥的賦形劑，能使藥品耐氧化褪變.同樣，因其良好的吸附性能，海泡石在治療腹瀉中可用作毒素，細菌和液體的腸胃吸附劑.再者，對海泡石與MgO混合物同海泡石與Al(OH)3及三硅酸鎂(tri-silicates magnesium)混合物進行比較研究顯示，海泡石具有控制pH值的性能，在治療胃酸癥中可用作抗酸藥品。

國外對納米級天然蒙脫石的藥理研究表明，由于蒙脫石帶有不飽和的負電荷及具強烈的陽離子交換能力，對進入人體的病毒細菌有絕對的吸附固定作用，當納米級的蒙脫石進入人體時，在肺道的消化粘膜內層覆蓋一層膜，可以阻止有害病毒細菌通過腸道與粘液結合進到血液中，從而起到抑制作用。納米蒙脫石對大腸桿菌、霍亂弧菌、空腸彎曲菌、金黃色葡萄球菌和輪狀病毒及膽鹽都有較好的吸附作用，對細菌毒素有固定作用；研究還表明蒙脫石只吸附、固定表面帶有粒編碼蛋白(CS31A)的致病性帶電病原菌，對表面不帶CS31A的正常菌群無固定清除作用。

在此基礎上，國內采用納米蒙脫石和普通蒙脫石與大腸桿菌的體外對比吸附檢測的方法，結果發現納米蒙脫石的吸附能力明顯提高，這為納米蒙脫石應用于醫藥領域提供了證據。納米蒙脫石還可起到較好的緩釋作用，提高戊二醛消毒劑的穩定性[3]。

另外，經試驗，超細納米級蒙脫石粉末在某種中藥粉末中按比例配搭，治療燙傷有奇效。

在化妝品生產中，利用粘土礦物與有機物結合形成保護因子有屏蔽紫外線功能，能夠有效減輕紫外輻射對皮膚的傷害。海泡石或蒙脫石與苯基水楊酸鹽的復合藥劑就具有較好的紫外線吸收能力。吸附有N一甲基一8一羥基喹啉甲基硫酸鹽的蒙脫石也能很好的吸收紫外輻射，減輕紫外線對皮膚的傷害。

因此，粘土礦物主要作為胃、腸道疾病，腹瀉的治療藥物或藥物的輔料填料。

[4]以及護膚品領域。

納米粘土礦物在其他方面的研究

在土工領域，由于納米粘土礦物具有較大的比表面積及表面活性，再加上具有較好的流變性和潤滑性。因此，納米粘土礦物可作為填充劑加入混凝土水泥中提高混凝土的部分性能。例如，據有關實驗數據表明在一定摻量時，在水化混凝土中摻納米粘土材料可提高水化混凝土的流動度、抗壓強度和抗滲、抗凍融性。另外，納米粘土材料摻入水泥混凝土中未見有新的水化產物產生，但增長了水泥水化的程度，早期加快了水泥水化的速度，使水化產物的量增多。在水泥混凝土中摻入納米粘土材料可改善混凝土水化的孔結構，小孔量增加，大孔明顯減少。提高了混凝土的密實度，提高其強度。摻納米粘土材料提高混凝土強度和耐久性是減水增強，填充密實和晶核反應等多種作用的宏觀表現[5-6]。

在有機復合材料工程領域，納米粘土礦物的應用研究也在蓬勃興起。比如，聚合物/ 粘土納米復合材料是近10 年國內外在納米復合材料領域的研究熱點之一。這種納米復合材料，與聚合物基體或微米復合材料相比，除了具有更加優越的力學性能、氣密性、抗溶劑性、熱性能;還具有阻燃的特性，為研究新一代高效、清潔、低煙、無毒聚合物阻燃材料開拓了新的途徑，被國外譽為阻燃材料技術革命。

由于粘土具有層狀結構的無機天然礦物，資源豐富，價廉易得，是聚合物工業中常用的填料。從可持續發展的觀點來看，有關專家提出在礦產資源的開采和使用方面，應當由原來的粗放型向精細化轉變，提高其使用價值，物盡其用。針對粘土特殊的層狀結構，利用表面改性和納米復合技術使粘土全部或部分以單晶層狀態分布于聚合物基質中，提高聚合物基體的各項性能，實現了粘土由傳統的體積填料向功能填料的轉化，同時粘土片層的剛性、不可透性和納米尺寸效應賦予聚合物以新的功能，在力學性能、熱穩性、導電性、阻隔性能等諸多方面得到提高和改善。目前，粘土/塑料那米復合材料得到較多的研究和應用，并由此制備出一批具有特殊性能的新型材料。

這種新型的材料作為結構材料，粘土/聚合物納米復合材料的物理力學性能與常規聚合物基復合材料相比，具有如下優點[7]：

（1）比傳統聚合物體系質量輕，只需質量分數很少的填料即具有很高的強度韌性及阻隔性能。

（2）納米復合材料具有優良的熱穩定性和尺寸穩定性。

（3)力學性能有望優于纖維增強聚合物體系，因為層狀硅酸鹽可以在二維方向上起到增強作用，無需特殊的層壓處理。

（4）納米復合材料膜因硅酸鹽片層平面取向，因此有優異的阻隔性能，有可能取代聚合物金屬箔復合，且容易回收。

再有，利用納米粘土材料的一些特性，通過添加復合我們還可以將其加工成具有一些特殊用途的的功能材料。

比如，有機-無機復合抗菌劑兼有有機抗菌劑的高效性、持續性和無機抗菌劑的安全性、耐熱性。利用層間插入技術將有機抗菌劑引入到銀離子交換過的層狀粘土的層間隙中，這類硅酸鹽具有足夠的層間距離和耐熱溫度，在高溫下使用時，銀離子和有機抗菌劑可一起慢慢釋放出來，可獲得綜合抗菌、防霉的效果。另外，納米坡縷石也是金屬離子型無機抗菌劑的優良載體。因此，我們就可以得到一種具有抗菌性能的功能材料【8-9】。

再者，坡縷石、海泡石是具有結構性納米孔道的粘土礦物，其納米孔道可在一維或多維尺度上分布。有人對海泡石-坡縷石族礦物的超臨界氫吸附性能進行了研究，并對礦物儲氫的機制進行了探討。還有人研究了蒙脫土在復合貯能材料

方面的應用，利用插層復合法制備了NPG-TAM/蒙脫土納米復合材料，結果表明該材料具有較適宜的相變溫度和相轉變焓，同時較好地解決了多元醇單獨使用時存在的塑晶現象。因此，我們可以制備成儲能材料[10]。

結束語

作為一種特殊的納米材料，納米粘土具有特殊的性能和很廣闊的應用前景。但是，在納米粘土的制備、加工和應用中都存在一個比較棘手的問題，即納米微粒的團聚問題。納米微粒由于具有很高的表面活性而容易團聚，分散性差，這是納米材料在實際應用中存在的一個普遍問題。為避免納米微粒的團聚，應及時對微粒表面進行修飾處理，使其穩定而不再發生團聚。選擇合適的表面處理方法(表面化學改性或包覆改性以及分散穩定方法是避免團聚現象的關鍵環節。另外，對于納米粘土，特別是聚合物基納米復合材料的研究盡管十分熱門，但由于其結構復雜，加上納米粒子具有的量子效應、表面效應等，對它的研究還不夠深入。目前，聚合物/粘土納米復合材料的制備技術有些已十分成熟，然而大規模應用問題至今尚未能很好地解決，從而在一定程度上限制了其發展。而且，目前對于納米粘土的研究，主要集中在聚合物/粘土納米復合材料方面，而對其它領域研究相對較少。因此，納米粘土許多新的特性及應用領域還有待進一步研究和開發。

參考文獻

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第二篇：納米粘土礦物材料在環境治理領域中的應用

納米粘土礦物材料在環境治理領域中的應用

摘 要：粘土礦物具有許多優異性能,其中比表面積大、吸附能力強、陽離子交換能力強等特性使粘土礦物作為一種優良的環境材料而成為廣大環保工作者所重視和研究的對象。文章對粘土礦物及納米粘土礦物在污水處理、空氣污染處理、土壤凈化和固體廢棄物處理及其他環境治理方面的應用進行了闡述, 并提出粘土礦物在環境治理研究方面的發展方向。關鍵詞：粘土礦物；納米粘土；環境治理；

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;

隨著工業文明的迅猛發展，人類對環境的污染和破壞達到了足以威脅自身生存和發展的程度。由于環境污染物的消除需要消耗大量的能源，這給日益枯竭的能源提出嚴峻的挑戰。尋找一種較為廉價的環境凈化材料，降低污染物的處理成本，提高凈化效率，已成為環境保護中亟待解決的問題。層狀粘土礦物的儲量豐富、價格低廉，因其獨特的層狀結構而具有良好的吸附性能和離子交換性能，在廢水、廢氣及土壤凈化等眾多環境治理領域表現出廣闊的應用前景。本文就粘土礦物材料在環境治理領域中的研究和應用情況進行綜述。

1.粘土礦物材料與納米粘土

粘土是一類廣泛存在于土壤中的物質, 由于長期處于特定的環境條件下, 粘土礦物具有許多優越的特性，例如巨大的比表面積，良好的吸附性能，較高的吸附容量和離子交換能力，膨脹性、分散性、凝聚性、稠性、粘性、觸變性和可塑性, 具有環境修復(如大氣、水污染治理等)、環境凈化(如殺菌、消毒、分離等)和環境替代(如替代環境負荷大的材料等)功能[2]。粘土中常見的礦物有：高嶺石、蒙脫石、凹凸棒石、海泡石、伊利石、綠泥石等硅酸鹽類化合物和由硅藻類微生物骨骸緊密堆積而成的硅藻土，以及層狀雙金屬氫氧化物類化合物水滑石等礦物。

粘土礦物是顆粒細小(＜0.1mm)的含水層狀結構硅酸鹽礦物，其結構單元層是由Si-O四面體片Al-O八面體片按不同的規律連結起來而構成，按其連接方式的不同把粘土礦物劃分為1:1和2:1兩種結構類型，前者如高嶺石，后者如蒙脫石、伊利石、凹凸棒石等。粘土礦物結構單元層內部因發生離子的類質同象置換，比如四面體中Si4+被Al3+置換，八面體中

[1]Al3+被Fe2+、Mg2+置換，從而使其單元層表面具有電性。此外，粘土礦物顆粒細小，比表面積大，并且，粘土礦物具有吸附性、離子變換性、膠體性、分散性和催化性，這些特性在環境污染處理中具有十分重要意義[3]。

納米材料按其結構可以分為四類：具有原子蔟和原子束結構的稱為零維納米材料、具有纖維結構的稱為一維納米材料、具有層狀結構的稱為二維納米材料、晶粒尺寸至少三個方向在100nm范圍內的稱為三維納米材料，以及以上各種形式的復合材料。層狀硅酸鹽粘土、金屬氧化釩、二硫化鉬等可以經過相應的工藝處理制成納米復合材料，尤其是層狀粘土與聚合物納米雜化復合材料因性能優越、成本較低具有良好的產業化前景而受到廣泛的關注[4]。與普通改性材料不同，納米粒子具有特殊的表面效應、體積效應、量子尺寸效應以及宏觀量子隧道效應等。將純化后的粘土插層為納米粘土后，在聚酯中分散成剝離型的納米粘土。將粘土的層狀特性改性成高比表面積的結構，從而提高了聚酯的力學性能、光學性能、阻隔性能等。目前用于納米復合材料的粘土主要為膨脹型粘土，包括層間可交換陽離子粘土如膨潤土、鋰皂石、凹凸棒土、海泡石和可交換陰離子粘土如水滑石等[4]。礦物材料在環境治理領域的應用

自20世紀90年代初日本學者山本良一首先提出環境材料的概念之后，世界各國掀起了開發環境材料的熱潮。到目為止，環境材料主要指：可循環利用材料、凈化功能材料潔凈能源材料、節能型材料。粘土礦物具有多孔、吸附離子交換等優異的物理化學性能，近幾年，其在環境材料面的研究與應用越來越多，特別是在污水處理、大氣吸附過濾脫色、生態建材(如具有保溫、隔熱、吸音、調光等能)、抗菌消毒劑、農業等方面的應用都有顯著進展

[6-7][5]。

目前，粘土礦物在環境方面的應用主要是利用了粘土礦物的物理性質：較大表面積，吸附性能好。主要應用在空氣污染處理、污水處理、土壤凈化和固體廢棄物處理及其他環境治理方面的應用等方面。

2.1污水處理中的應用

隨著社會經濟的發展，工業廢水和生活污水越來越多，嚴重污染水體，破壞生態環境，威脅人類的健康和生存，為使廢水(污水)達到排放標準，人們已研究出了多種處理方法

2.1.1含重金屬離子廢水處理

SenGupta和Bhattacharyya[8]分別利用聚羥基鋯和四丁基衍生物對高嶺石和蒙脫石進行改性，用于去除水中的Cd。發現溶液的pH對吸附量的影響較大，而蒙脫石去除效果最佳，蒙脫石的吸附容量為高嶺土的3倍以上。沈學優等比較膨潤土、高嶺土和伊利石對重金屬離子Cu、Zn、Cd、Ni。的處理效果。結果表明，膨潤土〉高嶺土〉伊利石。Alvarez-Ayuso和GarciaSanchez[10]利用鈉交換的膨潤土和鈣交換的膨潤土去除溶液中的Cr，吸附容量分別為49.8mg/g和44.4mg/g。吳平霄等

[11]

[9]

研究了高嶺土/胡敏酸形成的有機一無機絡合復合體對Cu、Cd和Cr的吸附。結果表明，胡敏酸對高嶺土改性后能提高上述3種重金屬離子的吸附性能，高嶺土/胡敏酸復合體對3種重金屬離子的吸附量都隨pH值的升高而增加，隨離子強度的增加而減小。選用Cu、Cd和Cr的初始濃度均為64mg/L，pH為5，離子介質為0.05mol/l時，高嶺土/胡敏酸復合體的吸附量分別為Cu為64%，Cd為55%和Cr為80%。

2.1.2無機非金屬廢水

范麗珍等[12]選用鈣基蒙脫石，經鈉化改性后用作氟離子吸附劑，研究表明改性蒙脫石具有很強的吸附氟離子的能力，在pH為5和4時的除氟效果最好。孫承轅等[13]根據凹凸棒粘土的結構特點及較強的吸附能力，對含氟溶液進行了多次除氟實驗，取得了明顯效果，在F10×10的溶液中，其除氟率可達到50%以上，對除氟改水工作具有很大的應用價值。鄭紅等[14]研究了用AlCl3包覆后膨潤土除氟的性能和適宜條件，在實驗條件下，吸附率最高可達96.5%，酸性環境有利于吸附過程進行。馬林轉等[15]利用稀土元素La及Al聚合羥基離子改性膨潤土(La/Al—PILC)，在溫度為30℃，PH 3～5，磷質量濃度為6.54mg/L，吸附劑質量濃度為2.5g/L的條件下對磷的去除率能達99%以上。

2.1.3有機廢水

AichaKheni等[16]研究發現十六烷基甲基溴化銨(CTAB)改性膨潤土對水溶液中2，4一二氯苯酚和具有較好的吸附性能。Hasan Basri Senturk等[17]發現利用CTAB改性膨潤土對水溶液中的苯酚也具有很好的吸附效果。武庭瑄等[18]研究了四環素在膨潤土和高嶺土中的吸附行為，結果表明：膨潤土和高嶺土對四環素的吸附行為均可用Freudli—ch等溫方程描述，但Kf(膨潤土)>>Kf高嶺土，說明膨潤土對四環素吸附能力較高嶺土強。裘祖楠等

[19]-6-

5研究了以活化凹凸棒石作主要組分的吸附劑對陽離子染料生產廢水的處理效果，脫色率和CODCr去除率可分別達到87.5%～99.8%和45.1%～72.3%，且再生處理簡單，非常適用于該類廢水的預處理。彭書傳等[20]將凹凸棒石有機改性后，用于去除水中的苯酚，在PH為8.0，苯酚濃度為100mg/L，投加量為4%時，去除率可達到88.5%，且吸附劑經再生后可反復使用。

2.2礦物材料在治理空氣污染中的應用

大氣污染系指由于人類活動和自然過程引起某種物質進入大氣中，呈現足夠的濃度，達到足夠的時間，并因此而危害了人體健康，舒適感或環境。大氣污染物按其存在狀態可分為氣溶膠污染物和氣態污染物兩大類。其中氣態污染物在一定的條件下可轉化為氣溶膠態污染物，氣態污染物包括了以二氧化硫為主的含硫化合物，以氧化氮和二氧化氮為的含氮化合物、碳的氧化物、碳氫化合物及鹵素化合物。2.2.1工業廢氣治理

工業廢氣是我國大氣污染的主要來源，僅建筑材料的生產每年排出廢氣10.96億立方米；廢水排放量355億噸；其中水泥、與傳統墻體材料等每年排放的CO2量約為6.6億噸，占全國工業排放CO2量的40%左右。據資料介紹，我國目前每生產一噸水泥熟料要排放1噸CO2、0.74公斤SO2、130公斤粉塵；每生產1噸石灰排放1.18噸CO2。

由于有害氣體多為酸酐，大部分能溶于水，因而可用呈堿性的礦物與酸酐發生中和，從而吸收酸酐，達到清除廢氣的目的。石灰石（方解石）、生石灰、方鎂石、水鎂石、坡縷石等均屬此類礦物材料，如日本用方鎂石、水鎂石吸收SO2、SO3廢氣：

MgO+SO2+H2O→MgSO3+H2O Mg(OH)2+SO2+H2O→MgSO3+2H2O Mg(OH)2+SO3+H2O→MgSO3+2H2O 對于不溶于水的酸酐，可先轉化為溶于水的酸酐，再用上述方法處理，此外利用粘土礦物，沸石以及改型后的多孔狀礦物作吸附劑也可排除有害氣體，凈化環境。如斜發沸石、絲光沸石、菱沸石、毛沸石、坡縷石、海泡石、膨潤土、高嶺石、多孔SiO2、活性Al2O3、白云石、泥炭、硅藻土等。2.2.2城市空氣治理

城市空氣污染主要來源于汽車尾氣的排放，其中包括NOx、金屬排放物，如Pb等排放，隨著現代大中城市之無鉛汽油的使用，由汽車排放的鉛金屬陽離子的危害大為減少，同時三元催化油的使用與使得汽油的燃燒NOx排放量的顯著減少。以青石為主體的三元催化劑載體得到了廣泛的應用。青石為環狀結構含鋁硅酸鹽。四面體中存在著[ALO4]對[SiO4]置換以及配位多面體中金屬陽離子的類質同像置換，活性強，同時具有極好的高溫熱穩定性。日本近來利用高溫熱穩定性好，同時吸附能力強的海泡石制作高效汽車尾氣凈化器，由于汽車排放氣體有害萬分主要為NOx，以納米質多孔石或銳鈦石為主要成分的光觸媒凈化涂料得到廣泛應用。2.2.3室內空氣污染

短期的空氣污染主要表現在甲醛、氨、苯等早期釋放強濃度的危害。空氣中甲醛（HCHO）超標對人體的危害是非常嚴重的，并且這種危害具有長期性、潛伏性、隱敝性，嚴重的會引鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系統癌癥。甲醛可經呼吸道吸入，其溶液“福樂馬林”可經消化道吸收。當空氣中含量達到30mg/m3時，可導致人當即死亡。氨是冬季混凝土施工外加劑的釋放物。國家規定居住區的安全氨濃度為小于0.2 mg/m3。氨濃度過高時，除皮膚腐蝕作用外，還可通過三叉神經末梢的反射作用引起心臟停搏和呼吸停止。氨以氣體形式吸入人體肺后，容易通過肺細胞進入血液與血紅蛋白結合，破壞運氧功能。

以銳鈦礦型納米TiO2光觸媒凈化器已有效于應用于室內空氣凈化，其作用機理為在紫外光照射下，TiO2表面生成空穴（h+）同時生成電子（e-）空穴使H2O氧化，（e-）使空氣中的O2還原。

H2O + h+→·OH+H+

O2+ e-→O2-OH基團的氧化能力很強，對有機物以及甲醛、萘、苯酚等進行氧化分解，最終生成CO2和水及NH3·OH。并對病菌及其分泌物毒素均有較強的殺滅和降解作用。以沸石、坡縷石、海泡石多孔結構為載體的載銀無機抗菌劑也產生相似的作用和效果。張國生等[21]利用天然凹凸棒石粘土進行深加工研制出凹凸棒石復合分子篩，并用于凈化室內空氣改善大氣環境，對NH3、SO2、NO2等都有較大的吸附容量。張春霞等

[22]

用改性海泡石研究了對NH3的吸附，結果表明，改性海泡石的吸附量大于未改性的，也遠大于活性炭吸附量。此外，用膨潤土、高嶺石、凹凸棒石等合成的沸石分子篩對NO2、SO2等氣體的吸附也作了許多研究。

2.3土壤凈化 在土壤中粘土礦物的作用主要是粘土礦物對土壤的自凈作用。土壤的主要污染物分有機物與無機物兩大類。無機物包括重金屬和放射性物質，有機物要是有機農藥、有機洗滌劑及工業廢水中的酚等。在一定的污染濃度范圍內，土壤可以通稀釋、擴散揮發，氧化還原反應及絡合作用、離子交換和吸附作用而實現自凈。土壤自凈能力是土壤各種組分及結構綜合作用的體現，粘土礦物在土壤自凈過程中起了很重要的作用，因為粘土礦物是土壤膠體的主體，土壤膠體的自凈作用在某種程度上是粘土礦物性質的體現。

當有毒物質進入土壤后，土壤膠體首先吸附帶相反電荷的離子或絡合物，如金屬離子或化學農藥，使污染物質的活性和擴散性大大減弱。其次粘土礦物層內表面不僅可吸附交換性離子，還可以把一些有毒的陽離子吸持在層間的晶格結構內而成為固定離子，消除了污染物的毒害。

2.4固體廢棄物處理中的應用

隨著工業的發展和城市人口的增長,環境保護已成為世界各國極為關注的主題。目前,在治理“三廢”工程中，由于“三廢”的成分復雜多樣，許多傳統工藝和傳統材料已不適應，治污處理效果差。固體廢物主要指工業廢物、礦業廢物和城市生活廢物等。

目前對于固體廢棄物有三種處理方式：即再生利用、焚燒、填埋。

工業廢渣多數為可利用的二次資源，如粉煤灰、冶金渣、煤矸石、尾礦等。這些固體廢棄物，通過二次加工燒成可制成新型建筑材料如混凝土外加劑用超細礦粉、微晶玻璃等。而另一部分廢棄物則須通過填埋式的處理，特別是含放射性元素的固體廢棄物。

2.4.1生活垃圾填埋

目前技術條件下，我國生活垃圾的處理主要采用填埋法處理，垃圾填埋場的建造，最關鍵要求是防止垃圾物、腐植物、重金屬離子以及有害有機物質滲入地下水中產生二次污水下滲，從而污染地下水水源，為了達到此點，除了采用無污染、無害的防滲透建筑材料外，還要求在其底部及四周鋪墊強吸附層、離子交換性的粘土礦物和隔水性粘土層一層，后者材料主要為膨潤土、土狀海泡石和坡縷石。

2.4.2放射性固體廢棄物的填埋

對于固體廢棄物來說，其中最危險的是固體廢棄物中含有的放射性元素。但對于固體廢棄物中的放射性元素，必須加以屏蔽，而其中的重金屬離子及有毒害的有機物分子也必須加以綜合處理。對于含放射性元素的固體廢棄物可以用礦物材料及改型的礦物材料來處理，如用蘭石棉、玻璃纖維、人造有機纖維、坡縷石、海泡石纖維紙制品等一些高吸附性材料來吸附、過濾放射性氣體和空氣中具有放射性的塵埃；利用沸石、海泡石、坡縷石等礦物凈化被放射性物質污染的水體。“礦物固化法”是放射性固體廢棄物處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，可制成耐輻射的穩定玻璃體；沸石加熱發泡、熔化、可固化核廢料。坡縷石、海泡石也是輻射屏蔽的密封材料。

2.5 其他環境治理

改性粘土礦物治理赤潮

[23]的作用在于：它們具有大的比表面積，特殊的表面電性和酸性以及很強的吸附能力。因而除了對赤潮海藻具有很強的絮凝作用外，還可以吸附水體中過剩的營養物質，如N、P、NH4、Fe、Mn等，貧化海水，破壞赤潮生物賴以生存、繁殖的物質基礎；粘土礦物的粒子也可附著于藻體的內外表面，當這些粒子沉積得很多的時候，藻體就難以生存而死亡。

粘土礦物也可以應用于荒漠化的治理中。沙漠化土地在我國30個省區市的851個縣均有分布，總面積達270萬km左右，占陸地國土面積的30%，且仍以每年24~60 km的速度在擴展。這些荒漠化土的顆粒較粗，一般呈細砂、粉砂狀、無粘性、滲水性強，而粘土礦物的顆粒極細，有較強的膨脹性、粘性、吸水性，兩者混合均拌勻，即可變成能保水的種植土。而且粘土礦物一般含有許多有利于動、植物生長的成分，可以為動、植物提供多種營養，從而達到采用粘土礦物治理沙漠的目的。

223 結束語

環境保護是2 1世紀人類所面臨的共同課題，全球性研究、開發環境材料的熱潮方興未艾。人們已經意識到環境治理中最好的切入點是利用自然界本身的自凈化能力。作為一種特殊的納米材料,納米粘土具有特殊的性能和很廣闊的應用前景，隨著科學技術的發展，基于粘土礦物的礦物學、晶體化學等特征研究的不斷深入，其在環境材料開發方面的應用將非常廣闊。

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第三篇：納米粘土礦物在環境治理領域的應用2

納米粘土礦物在環境治理領域的應用

摘要：粘土礦物是顆粒直徑小于0.1mm的含水層狀結構的硅酸鹽礦物。其結構使其有著催化性，離子交換性，分散性等特殊的性質而引起人們廣泛的關注和研究的對象。本文重點介紹了粘土礦物及其特性，在治理空氣污染、水污染、固體廢物污染、噪聲污染等方面的用途。并闡述了納米粘土礦物未來的發展方向。

關鍵詞：納米材料，粘土礦物, 環境治理, 污染, 硅酸鹽

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

隨著工業的發展，環境污染日趨嚴重，甚至影響到人們的正常生活。環保問題正逐漸引起我們的重視。由于環境污染物的消除需要消耗大量的能源，這給日益枯竭的能源提出嚴峻的挑戰。尋找一種較為廉價的環境凈化材料，降低污染物的處理成本，提高凈化效率，已成為環境保護中亟待解決的問題。納米粘土礦物的儲量豐富、價格低廉，因其獨特的層狀結構而具有良好的吸附性能和離子交換性能，在廢水、廢氣及土壤修復等眾多環境治理領域表現[1]出廣闊的應用前景。

1.納米材料

納米材料廣義上是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或者由該尺度范圍的物質為基本結構單元所構成的材料的總稱。由于納米尺寸的物質具有與宏觀物質所迥異的表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應和量子限域效應，因而納米材料具有異于普通材料的光、電、磁、熱、力學、機械等性能。納米材料可應用于工程、催化、精細化工、涂料等方面[2]。

根據物理形態可將納米材料大致分為納米粉末（納米顆粒）、納米纖維（納米管、納米線）、納米膜、納米塊體和納米相分離液體等五類。

根據結構可劃分為，零維納米材料，即三維尺寸均為納米量級的納米粒子或人造原子、一維納米材料（具有纖維結構）、二維納米材料（具有層狀結構）、三維納米材料。

按化學組分可劃分為納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料。

按應用可分為納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。

按材料物性可分為納米半導體、納米磁性材料、納米非線性光學材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。

2.粘土礦物簡介

粘土礦物是顆粒直徑小于0.1mm的含水層狀結構的硅酸鹽礦物，硅、鋁、氧是其中最主要的元素。其結構單元層是由[SiO4]四面體與[AlO6]八面體彼此以3個角頂相連，從而形成二維延展的網層即四面體片。鋁氧八面體共用邊角形成了八面體。這些硅氧四面體片和鋁氧八面體片又共用氧原子，將不同的片結合在一起。形成層狀結構。按其連接方式的不同把粘土礦物分為1:1和2:1兩種結構類型，前者如高嶺石，基本式為Si4Al4O10(OH)8，各單元層間距小，小分子或陽離子很少有機會進入層際空隙中，故層際通常不發生離子交換，而是在粘土的表面和邊、角發生；后者如蒙脫石、伊利石、凹凸棒石及云母類等，其基本式為Si3Al4O20(OH)4?nH2O，由于同晶置換，這兩種類型的粘土礦的離子交換除在層面的邊、角上發生，更多是由于層際間的陽離子交換而形成。粘土礦物結構單元層內部因發生離子的類質同象置換，比如四面體中Si4+被Al3+置換，八面體重Al3+被Fe2+、Mg2+置換，從而使其單元層表面具有電性。此外，粘土礦物顆粒細小，比表面積大，因而，粘土礦物會表現吸附性、離子變換性、膠體性、分散性和催化性，這些特性在環境污染處理中具有十分重要意義。

粘土礦物的基本結構包括五個層次：

（1）Si-O構成的四面體或Al(Mg)-O(HO)構成的八面體；

（2）由第一個層次的四面體和八面體連接成四面和八面體結構片；（3）結構片按比例組成的結構單元層；

（4）結構單元層在c軸方向上按一定間隔壘砌構成不同的粘土礦物并形成層間域，層間域空間中有時是空的，有時填充水分子或同時被陽離子和水分子填充，不同粘土礦物的層間域厚度是不同的，如高嶺石和綠泥石是固定的；蒙脫石的層間域厚度是可變的；

（5）一個結構單元層加一個相鄰的層間域，構成粘土礦物的單位構造層，不同種類的粘土礦物，單元構造層的厚度不同。

3.粘土礦物的特性[3]

3.1分散性和膠體性

粘土顆粒因層間類質同象置換表面具有永久電負性，而其端面斷鍵也會使粘土顆粒具有可變電性。粘土顆粒在水體系中的穩定性主要取決于這些電性所引起的雙電層結構特征，而雙電層結構會因電解質或pH值作用發生的變化。因此，粘土顆粒在水體系中的分散和絮凝可以通過添加電解質或調解pH值來加以控制。利用粘土礦物的這些性質，可以表面吸附、混凝、沉淀污水中的污染物，達到治理污染的目的。

3.2 催化性

粘土礦物因具有很大的表面積，適宜的孔徑及表面酸性，從而表現出良好的催化性。粘土礦物經酸化處理后，能夠大大改善其催化活性。因為，經酸化后，不僅可以引起粘土礦物組分和結構的變化，而且能夠提高其比表面積、改善其孔徑分布、增強其表面吸附性。3.3 離子交換性

粘土礦物層間具有永久電負性，為保持結構單元層電價平衡，在其結構層間會吸附一定量的陽離子，而這些層間陽離子具有可交換的特性。陽離子交換反應式可表示為：

M+-Clay + A+ ? A+-Clay + M+

粘土礦物層間陽離子交換性質主要取決于離子電價、離子半徑大小極離子濃度等。一般而言，離子勢與離子選擇性成正比，離子濃度與離子選擇性也成正比關系。粘土礦物大都具有陽離子交換性，但交換容量有一定差異。蒙脫石、蛭石陽離子交換容量為80~150meq/100g，伊利石和海泡石為10~40meq/100g，高嶺石為3~15 meq/100g。粘土礦物的陰離子交換性為20~30 meq/100g。這一作用主要發生在結構單元層的端面，特別是pH較低的情況下，端面因帶一定正電荷而吸附許多無機或有機陰離子，如PO42-、AsO32-、SeO42-、S2-、CN-、CH3COO-等。

3.4 與有機物的復合性

粘土礦物具有與有機物符合的特殊性質，其復合的吸附力來自于離子交換作用、范德華力、氫鍵力以及離子偶極力作用。粘土礦物復合的有機物大致可劃分為三種類型：中性分子有機物，例如NH3、SO2、醇、酮、胺、尿素等；有機陽離子，例如烷基、羥烷基、烷酰基等；高分子聚合物，例如酶、蛋白質、病毒、腐殖質等，其吸附力有離子交換、范德華力和氫鍵力。粘土礦物除可以直接復合有機物外，還可以通過人工有機復合制備吸附交換性更好的有機粘土，例如有機膨潤土。

4.納米粘土礦物在環境治理中的應用

粘土礦物具有環境修復（如大氣、水污染治理等）、環境凈化（如殺菌、消毒、分離等）和環境替代（如替代環境負荷大的材料）等功能[4]。在環境領域中的應用包括：污水處理方面、土壤凈化、大氣凈化、核廢料處理、清除放射性氣體、阻止有機和無機有害物質遷移等[5]。

目前粘土主要作為粘結劑、吸水劑、吸附劑、催化劑、絮凝劑等廣泛應用于冶金、機械、石油、化工、和環保的各個領域。為了提高其附加值, 使用前往往要對天然粘土進行改性。改性方法、機理、工藝及條件已成為人們關注的焦點[6]。

4.1空氣污染[7]

4.1.1 室內空氣污染

室內空氣污染主要來自裝飾材料中的人工合成高分子材料。物質主要包括甲醛(HCHO)、氨、苯、氡等，對人體危害嚴重，并會引發鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系統癌癥。對于上述幾種有害物質, 以沸石、坡縷石、海泡石、膨潤土、累托石等粘土礦物為載體的載銀無機抗菌劑可以起到良好的作用效果。目前開發的以多孔結構粘土礦物為載體的無機抗菌劑已成功應用于室內空氣凈化, 并對病菌及其分泌物毒素均有較強的殺滅和降解作用。

由于坡縷石、海泡石、沸石、膨潤土、累托石等為典型的天然納米粘土礦物材料, 基于其特有的孔道結構、晶體表面生長缺陷的發育和納米級尺寸效應,經充分分散處理后具有大比表面積和超強吸附性。如以纖維狀坡縷石、海泡石、沸石制作的環保型特種多功能紙不僅具有難燃、阻燃效果, 而且能有效地吸附室內空氣中的氮氧化物(NOx)和有害極性氣體, 應用于空氣凈化的超細濾膜紙, 由于海泡石、坡縷石的強防輻射屏蔽性, 其開發的壁紙材料可有效防止建筑墻體氡氣的析出。

4.1.2城市空氣污染

城市空氣污染主要來源于汽車尾氣的排放，其中包括NOx、金屬排放物排放。無鉛汽油的使用使得汽汽車排放的鉛金屬陽離子的危害大為減少，同時三元催化油的使用使得汽油燃燒的NOx排放量顯著減少。

青石可以用來吸收汽車尾氣，其結構為環狀結構含鋁硅酸鹽，其四面體結構存在著[AlO4]對[SiO4]的置換以及配位多面體中金屬陽離子的類質同象置換，活性強，同時具有極好的高溫熱穩定性。國外用粘土礦物制成汽車排氣管、過濾器, 主要是充分利用粘土礦物的吸附性。用粘土礦物代替活性炭可降低卷煙中含有的焦油、自由基、尼古丁等對人體的危害。4.1.3 工業廢氣治理

工業廢氣是我國大氣污染的主要來源，主要包括：CO2、SO2、粉塵等。由于有害氣體多為酸酐, 大部分能溶于水, 因而可用呈堿性的粘土礦物與酸酐發生中和, 從而吸收酸酐, 達到清除廢氣的目的。對于不溶于水的酸酐,可先轉化為溶于水的酸酐, 再用上述方法處理, 此外利用粘土礦物, 如沸石、海泡石、膨潤土、坡縷石、高嶺土、累托石以及其改型后的多孔狀礦物作吸附劑也可排除有害氣體, 凈化環境。

4.1.4 大氣凈化

蒙脫石、海泡石、坡縷石及高嶺石等因比表面積大、吸附性強，作為吸附過濾材料廣泛應用于空氣污染的凈化。這些礦物經簡單的處理之后，即可用于臭氣、毒氣及有害氣體如NOx、SOx、H2S等的吸附過濾。現已成功地用其迅速、有效的去除與腐爛變質物臭氣有關的1，4-丁二胺和1，5-戊二胺以及包含排泄物臭氣中的吲哚、丁烷一類氣體。實驗證明，在含氨為100×106/m3氣體中放置40個海泡石，可使氨的濃度降至18×106/m3。4.2水污染

粘土礦物主要用于生活和化工用水過濾、重金屬離子從Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+等的去除，印染廢水（陽離子染色分子）和有機污染物的吸附以及陰離子PO43-、SO42-的去除。

目前, 用于污水處理的主要是膨潤土、凹凸棒石、坡縷石、海泡石、硅藻土等幾種[8]。膨潤土對廢水中有極性結構的非離子型表面活性劑有較強的吸附能力，每克膨潤土可吸附200-300mgCODcr。對于無極性的非離子表面活性劑，用2%的投加量可使CODcr濃度為1000mg/L左右的廢水達到排放標準。將無機鈉鹽與膨潤土按照一定比例制成的HB絮凝劑加入到味精廢水中，能吸附廢水中的有機污染物，使廢水中的COD大大降低。用明礬和膨潤土作為吸附—徐寧劑處理再生紙廢水中的COD和懸浮物，也可使排放出的廢水由堿性變為中性[9]。將膨潤土與CaCl2無機鹽制成混合物，按5g/L的量加入印染廢水中，可以除去九成的燃料和八至九成的表面活性劑。

蒙脫石可以用來吸附Pb2+、Cd2+及Cr(III)，即用蒙脫石—聚合氯化鋁交聯處理廢水中的重金屬，可進一步改善去除效果并提高固—液分離速度，是低濃度廢水中Pb2+等的去除率達到93.1%。經研究發現：經酸化的蒙脫石出去廢水中的重金屬離子效果更佳。

凹凸棒石可以凈化處理印染廢水，投加量為10-12g/L，pH=6-10，反應時間為10min，COD去除率達74%，色度去除率大93%，凈化效果與常用的聚合氯化鋁、硫酸鋁、硫酸亞鐵等相比均有明顯的提高。經活化的凹凸棒石粘土可以處理鈾。采用動態法(交換柱)處理含鈾廢水，效果良好，鈾的去除率在99.95%以上。膨潤土等粘土礦物經過適當的有機改性，可用來處理含有機物廢水。膨潤土、硅石、凹凸棒石、海泡石等粘土礦物可直接利用或經過適當的活化改性處理，也可用來處理含重金屬離子廢水，獲得了較好的效果。經預處理的海泡石、凹凸棒石等以吸附與離子交換法可以降氟除磷，同時有利于降低廢水處理成本，減少污泥產生量，重復利用資源。

4.3固體廢物污染

固體廢物主要指工業廢物、礦業廢物和城市生活廢物等。工業廢棄物可通過二次加工燒成可制成新型建筑材料，如混凝土外加劑用超細礦粉、微晶玻璃等。城市生活固體廢棄物主要是指在城市日常生活中或者為城市日常生活提供服務的活動中產生的固體廢棄物，即城市生活垃圾，主要包括居民生活垃圾、醫院垃圾、商業垃圾、建筑垃圾。礦業廢物指開采和選洗礦石過程中產生的廢石和尾礦。

對于固體廢棄物中含有的放射性元素。可利用沸石、膨潤土、累托石、坡縷石、海泡石等一些高吸附性材料來吸附、過濾放射性氣體和空氣中具有放射性的塵埃。粘土礦物也可作為一種固化劑，“礦物固相法”是放射性固體廢棄物處理的十分重要和行之有效的方法，例如沸石加熱發泡、融化、可固化核廢料。坡縷石、海泡石也是屏蔽輻射的常規密封材料。4.4 噪聲污染

隨著對噪聲危害認識的提高，噪聲已與“三廢”并列為環境“四害”之一。硅藻土、浮石、蛭石、珍珠巖等具有良好的消聲隔音性能，尤其是膨脹蛭石吸引系數可達0.53-0.73，隔音能力為40-50dB，經常用作汽車減音器和隔音泥灰。

4.5 粘土礦物在其他方面的應用

粘土礦物可治理土地荒漠化：荒漠化的顆粒較粗，一般呈細砂、粉砂狀，無粘性，深水性強，而粘土礦物的顆粒極細，有較強的膨脹性、粘性吸水性，兩者混合均拌勻, 即可變成能保水的種植土。而且粘土礦物一般含有許多有利于動、植物生長的成分, 可以為動、植物提供多種營養,從而達到采用粘土礦物治理沙漠的目的[10]。

粘土礦物因其導熱系數低，分散性高，以及特有的微孔結構等，適用于研制開發保溫涂料等多種保溫材料。保溫材料的開發具有重要的“綠色意義”。20世紀80年代以來海泡石復合硅酸鹽保溫材料發展迅速。利用纖維狀海泡石和粘土狀海泡石為主要原料，研制的新型保溫隔熱涂料常溫下導熱系數為0.079W/(m·K)。以坡縷石為主要原料的SM復合硅酸鹽保溫涂料，常溫下導熱系數小于0.05W/(m·K)。

伊利石具有較好的化學惰性、電絕緣性、絕熱性及隨溫度升高體積膨脹的特性，可作為一種新型的傳壓介質材料。其特性在某些方面由于葉臘石，其鈦、鐵雜質可成為合成金剛石的有益添加劑，同時所需和成功率下降，利于節能[9]。

過濾清除放射性氣體及塵埃；坡縷石、海泡石、蒙脫石等用作陽離子交換劑凈化被放射性污染的水體；也可用作危險廢物的鎮定劑，對放射性物質永久性吸附固化；以及機房中軟X射線的吸收等方面。蒙脫石、海泡石、坡縷石等現已廣泛用于油污廢塑料、城市垃圾等處理，阻止無機或郵寄有害物遷移[9]。

粘土礦物對地質作用和地質環境的變化反應敏感，還可用于巖相古地理、古氣候、古環境、地層對比和成巖成礦條件的研究和回復。另外，深海中的粘土礦物和深海軟泥存在于非常獨特的環境，有著獨特的潛在應用價值。從環境角度考慮，深海中的粘土和碳酸鹽的利用有可能要早于其他礦產資源。

由于粘土礦物有著獨特的物理化學性能，作為較理想的載體材料已廣泛受到人們的關注，發展相當迅速，特別是膨潤土、凹凸棒石、海泡石、蛭石等。目前采用離子交換法已經成功地制備了載銀膨潤土、載銀凹凸棒石、載銀海泡石和銅型蛭石等無機抗菌劑，其抗菌效果良好，可制成抗菌制品。

還有一些粘土礦物有抗紫外線能力，比如伊利石，可作為化妝品。伊利石無毒無臭，質軟滑膩，且呈絲絹光澤，分散性好，附著力強，其pH值一般為6~7，化學性能穩定，礦物組分簡單，不含對人體有害的成分[9]。

5.納米粘土礦物的未來及研究發展方向

由于粘土礦物的資源豐富，價格便宜并且有著優越的物理和化學性能，被越來越多的應用于環境保護中。除少數粘土礦物，如石棉外，大多說天然產出的礦物材料基于其不同的性能在不同領域起著環境保護和環境治理的作用，它們皆可認為是環境礦物材料。隨著科學技術的進步，人們對環境條件要求的提高，粘土礦物材料的應用將越來越廣，其作用也越來越重要，如在節能保溫材料方面、在降噪隔聲方面、在無形磁波污染控制方面、在自然災害防治方面、在太陽能材料應用方面、在傳動系統減震方面、在新型抗菌材料方面、在人體健康材料方面等都起著不可缺少、甚至不可替代的作用。

未來粘土礦物的研究方向：研究粘土礦物材料的成分、結構和性能之間的相互關系；研究粘土礦物材料在外界作用力下的成分、結構和物化性能變化及變化規律；研究粘土礦物材料的深加工、處理方法，包括提純和改性；研究粘土礦物材料的自然形成條件及人工合成方法和技術參數；研究設計和制備新的礦物材料和功能復合材料；研究粘土礦物材料的應用技術和應用方法[7]。

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第四篇：粘土礦物治理重金屬污染的探討

粘土礦物治理重金屬污染的探討

00812084 張憑躍

摘要：本文綜述了污染土壤的重金屬來源，分析了粘土礦物的結構特點，闡述了粘土礦物治理重金屬污染的機理和應用實例，指出了隨著人們認識、技術水平的提高，粘土礦物在治理重金屬污染中將發揮重要的作用。

關鍵詞：粘土礦物 重金屬 凈化

在治理污染土壤的過程中，重金屬污染物是一類典型的優先控制污染物，許多世界著名的環境公害事件都證明與重金屬污染有關。美國、日本、德國及其它歐共體國家先后將其列入優先控制有機無機污染物黑名單與灰名單。長期以來有關重金屬污染物在環境中的遷移動態、形態轉化和生態效應也成為國際環境科學領域的研究熱點。土壤重金屬污染主要是由于采礦、冶煉、化工、電鍍、電子和制革等工業產生的含重金屬廢棄物進入土壤，以及污灌、農藥、化肥、垃圾、粉煤灰和城市污泥的不合理施用引起的，重金屬進入土壤后，由于不能被微生物分解，而能被生物富集和積累，重金屬在土壤中積累到一定限度就會對土壤——植物系統產生危害，并有可能通過接觸、食物鏈等途徑直接或間接地危害人類。據Assaway的估算，進入土壤的重金屬，在沒有外來繼續進入，只通過植物吸收使其在土壤中消失的時間：As和CA 為100年；Cu，Mn，Mo和Zn為1 000年；Co，Pb，Ni，Cr和V為10 000年。因此，土壤的重金屬污染與治理一直是國際上研究的熱點與難點問題，也是我國農業可持續發展和環境質量改善中許多學科共同感興趣的問題。

治理重金屬污染的傳統技術有化學沉淀、滲透膜、離子交換、活性炭吸附等。但這些方法普遍成本較高。由于粘土礦物來源廣，價格低廉，具有化學、機械穩定性好，多孔隙率等特點，利用粘土礦物治理重金屬污染，已經受到人們的關注。污染土壤的重金屬來源

污染土壤是指土壤中的某一物質或多種物質因含有足夠的數量或濃度從而表現對特定目標或對象有直接或間接的危害，這樣的土壤稱為污染土壤，其主要污染源有工業、生活、交通和農業污染源。

1.1 工業污染源

重金屬主要來自于采礦業、鋼鐵業、金屬處理與加工業、化學與制藥工業、石油加工業、紡織工業、印染業等。例如，美國蒙大拿州某有色冶金企業每年排人大氣中的鋅約5 t，鎘約250kg，其周圍地區土壤表層0～2.5 cm內鋅的含量很高，離廠1．8km達1 090 mg／kg，離廠3．6km為233 mg/kg，離廠7．2km 為48 mg/kg。在上述距離土壤中鎘的含量分別為37mg／kg，17mg／kg和4 mg／kg，可見冶金企業排放的廢氣對周圍環境有明顯的污染，而且離廠越近，污染越嚴重。我國現有的國營礦山企業8 000多個，個體礦山達23萬多個，由于種種條件的限制國內許多礦山廢棄物未經任何處理就任意排放與堆置，造成了較為嚴重的環境污染問題。

1.2 生活污染源

我國每年都有相當一部分生活垃圾不能處理，運到城郊農地上堆存，其滲濾液中含有大量的重金屬，從而污染土壤。據A A別烏斯等資料，在垃圾堆放場周圍土壤(0～ 20cm)中某些化學元素的含量比遠離堆放場的高得多，如距垃圾堆放場50m、100m、250m土壤中銅的質量濃度分別為300 mg／kg，100 mg／kg，40 mg／kg，Pb、Zn、Cr、Ni也是距垃圾場越近，其含量越高。

1.3 交通污染源

機動車排放的廢氣對土壤環境產生影響，不僅表現在公路兩旁土壤中氮氧化物、碳的氧化物和碳氫化合物明顯增加，而且公路兩旁土壤中鉛的含量明顯增加，且距公路越近，鉛的含量越高。在瑞典距離公路5．5m的土壤中易溶性鉛和難溶性鉛的質量濃度分別為9．9 mg／kg和33．4 mg／kg；距離20m的土壤中，分別為2．7 mg／kg和22 mg／kg；距離40 m的土壤分別為2．2 mg／kg和7．6 mg／kg。由于公路兩旁受鉛的污染，其上植物中鉛的含量往往比其它地區高。在德國，公路旁青草中鉛的質量濃度為34～ 50 mg／kg，而清潔地區僅2～ 3 mg／kg，甜菜葉子中含鉛量為25～ 32 mg／kg，超過歐洲經濟共同體規定的標準1．5～ 2．2倍，甜菜和馬鈴薯莖中鉛的質量濃度分別達70 mg／kg和100 mg／kg，白菜、菠菜中鉛的質量濃度也都較高。

1.4 農業污染源

某些農藥在其組成中含有汞、鋅、銅、鐵等重金屬，經常施用這些農藥易引起重金屬污染。另外，我國北方和西北地區由于年降雨量較少，雨量年分布變異大，因此污灌面積逐年擴大。而工業廢水中含有大量CA、Hg、Pb、As等，不恰當的污灌將會造成土壤重金屬污染。粘土礦物的結構特點

粘土礦物主要是由粒徑<2μm的層狀硅酸鹽礦物組成，它具有二維網格狀延展的Si—O 四面體骨架。由硅氧四面體共3個角頂連接成二向展平的六方網層，稱四面體片。其一側的活性氧需要大小適宜的陽離子相配位以使電荷平衡，且與氧和羥基構成配位八面體，八面體共棱連接構成八面體片。四面體片和八面體片通過共用活性氧組成層狀硅酸鹽結構單元層。若結構層由一個四面體片和一個八面體片組成，稱為T—O層或1：1層；若結構層由一個八面體片和兩個指向相反的四面體片組成，則構成T—O—T層或2：1層。對應于四面體片的一個六方環，包含有3個共棱的八面體，如果八面體陽離子為2價時，這樣的結構層稱為三八面體層；同理，如果為3價，則稱為二八面體層。結構層彼此堆垛相連，構成了層狀結構硅酸鹽礦物的特有結構。若結構層內的正負電荷已經達到平衡，那么結構層之間只能以微弱的分子鍵或氫鍵相聯系。如果未達到平衡而有多余的負電荷(層電荷)時，例如由于Al置換Si，為達到正負電荷的平衡，勢必導致層間存在一定數量的金屬陽離子，如K 或Na 等，借助于其間的離子鍵力，使結構層彼此相連，它的鍵強會比分子鍵或氫鍵強的多。因此，當單元層內部電荷未達平衡時，單元層間的空隙—— 層間域中將有一定量的陽離子充填，如Na、K、Ca離子等，還可以吸附其他物質。主要粘土礦物的性能

一般來說，粘土礦物可分為三大類，即高嶺石類(由一層硅氧片和一層水鋁片組成，屬1：1兩層型粘土礦物)；蒙脫石類(由兩層硅氧片夾一層水鋁片結合而成一晶層，屬2：1三層型粘土礦物)；伊利石類(由兩層硅氧片夾一層水鋁片結合而成一晶層，屬2：1三層型粘土礦物)。

3．1 蒙脫石的主要性能

蒙脫石是一種具有膨脹性、呈層狀結構的含有少量堿和堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物。蒙脫石每個單位晶胞由兩個硅氧四面體與一個鋁氧八面體平行鏈所組成，在每個晶體構造層間吸附和放出水分子。蒙脫石具有較高的陽離子交換性能，表現出較強的吸附性，且容易使顆粒分裂成很細的帶電粒子。此外，蒙脫石晶體構造層間亦可以有有機物的存在。

3．2 高嶺石的主要性能

天然高嶺石由于其粒徑極細，往往呈膠體微粒而吸附其它雜質，而且粒徑細者交換吸附能力相對增高。但是，與其它粘土礦物相對比，高嶺石的陽離子交換能力較低。這主要歸因

于結構單元層內部已達到電性中和狀態，對陽離子的吸附作用僅限于顆粒的周際或裂隙中。然而，由于結構單元層的外表OH一離子的存在，高嶺石的陰離子交換能力相對較高。此外，高嶺石在顆粒界面上也可吸附有機分子。

3．3 伊利石的主要性能

伊利石是一種隱晶一微晶狀白云母粘土礦物，伊利石的晶格與蒙脫石相似，不同點在于在伊利石的四面體中有大約1／6的+4價Si離子被+3價Al例子置換，為平衡多余的負電荷，結構中將近有1～1.5個K離子進入結構單元層之間，這些K離子似乎起著橋梁作用，把相鄰的兩層緊緊結合在一起。粘土礦物對重金屬污染物的凈化機理

4．1 吸附作用

吸附作用是粘土礦物的重要特性之一，包括物理吸附、化學吸附和離子交換吸附三類。產生物理吸附是由于粘土礦物具有較大的表面積，即具有較大的表面能，吸附作用的進行，引起系統表面自由能的減少。化學吸附是指由粘土礦物與吸附質之間的化學鍵力而產生的吸附。粘土礦物帶正電荷，陰離子集團可以通過靜電引力吸附在粘土礦物的邊面上。當介質中存在中性電解質時無機陽離子可以在粘土礦物和陽離子型聚合物之間起“橋接”作用，使高聚物吸附在粘土礦物的表面上。離子交換吸附是類質同象替換使粘土礦物形成永久電荷，為平衡電荷粘土礦物吸附環境中的異號離子的現象。粘土礦物的表面上、孔道內和層間域均能發生離子交換吸附。高嶺石沒有或很少有同晶置換，層電荷幾乎為零，永久電荷極少，負電荷主要來源于結構邊緣的斷鍵或暴露在表面的羥基的解離。云母屬2∶1 型結構，其結構中有四分之一的Si4+被Al3+置換，單位化學電荷數為1，同晶置換所產生的負電荷由晶層鉀離子來平衡。蒙脫石的電荷來自八面體片中Mg2+對Al3+的同晶置換。依據這一原理，環境中的重金屬元素就可被粘土礦物固定，失去了進一步污染環境的目的，達到治理重金屬污染的目的。

4．2 配合作用機理

配合作用主要分為表面配合作用和晶間配合作用兩種。紅外光譜分析證明，硅酸鹽中有大量SiO44-、AlO45-基團，在固-液體系中硅酸鹽顆粒表面可以與水形成水合氧化物蓋層，表面呈負電性，有利于配合作用產生。在粘土礦物層與層之間是分子引力相聯結，重金屬離子可以進入層間與SiO-發生配合作用。

粘土礦物羥基化表面可以通過靜電作用與溶液中的離子發生表面配位反應，如Pb2+能與高嶺石表面進行配位反應。由于層狀硅酸鹽礦物結構單元層外層存在著羥基基團，結構單元層之間的鍵力聯結較弱，重金屬離子可以進入層間與羥基發生配合作用，因此在其晶體內部的相鄰兩結構單元層之間，也存在顯著的配合作用。如高嶺石為T-O 型層狀硅酸鹽礦物，重金屬離子可以進入層間與八面體片中的羥基發生配合作用。粘土礦物與重金屬離子的配合作用受礦物的層電荷分布、重金屬離子的水化熱、電價、離子半徑和有效離子半徑等因素控制。

4．3 共沉淀作用

共沉淀作用是指粘土礦物可以通過自身溶解作用所產生的陰離子可與重金屬元素產生共沉淀作用，從而降低重金屬的可移動性及生物有效性。早期的研究表明，磷灰石去除土壤中的重金屬主要是通過吸附作用，而Mectal 則認為污水中鉛的去除基本上是通過磷灰石的溶解作用,而后沉淀出Pb(PO4)3(CO3)3，(F,OH)或Pb3(CO3)2(OH)2。對于Zn、Cd 兩種元素也有類似的沉淀的反應，在酸性條件下，Zn形成了磷鋅礦(Zn3(PO4)2 ?4H2O,pH=6)，Cd 形成了CdCO3(pH=3~6)，在堿性條件下，Zn 形成了ZnO(pH=8~12),Cd 形成了Cd(OH)2(pH=8)。粘土礦物治理重金屬污染的研究實例

何宏平等通過蒙脫石、伊利石和高嶺石三種粘土礦物對+2價Cu離子、+2價Zn離子、+

2價Cd離子、+2價Pb離子、+3價Cr離子五種重金屬離子的吸附研究，結果表明，蒙脫石對+3價Cr離子、+2價Cu離子有很好的選擇性，伊利石和高嶺石對+3價Cr離子、+2價Pb離子有較好的親和力。柯家駿等研究了膨潤土粘土礦物吸附溶液中重金屬離子的能力。結果表明，在相同的條件下，膨潤土吸附溶液中重金屬離子的次序是：Cu（+2）>Zn（+2）>Ni（+2）>Cd（+2）。李紅陽等通過實驗表明，粘土礦物對于Cr、Cd、Pb、Hg、As等有害元素具有很強的吸附能力，是理想的低成本吸附劑，在廢水處理中，可用來取代活性炭或離子交換樹脂來去除重金屬等有害元素。

古映瑩等對高嶺土進行表面改性制備了高嶺土一MBT(聚苯乙烯)復合體，考察了對溶液中重金屬離子的吸附性能。結果表明，高嶺土一MBT復合體對水中+2價Pb離子、+2價Hg離子、+2價Zn離子的吸附能力明顯優于純高嶺土和僅經過表面處理的高嶺土。金漫彤等利用偏高嶺土、堿激活劑等合成了土壤聚合物，并進行了含重金屬廢物的固化。結果表明，對Zn抖、Pb抖、Cu 和Cd 捕集效率高，浸出毒性能達到國家標準。粘土礦物修復土壤重金屬污染發展方向

6.1 根據粘土礦物材料對肥料養分的控釋作用，粘土礦物修復材料可與肥料相結合，發揮其雙重作用。

6.2 針對土壤重金屬污染特點和修復要求的差異，可將多種粘土礦物按照一定的比例混合在一起或將粘土礦物修復與其他修復方法相結合，后者稱之為聯合修復，以便克服各自的缺點，提高性能，達到更好的修復效果。

6.3 對粘土礦物進行物理加工，改變其性質，提高修復功效。如粉碎粘土礦物不僅可以提高其對重金屬的吸附性能，而且還可以形成不可逆吸附。

6.4 對粘土礦物有關改性方面的研究。如將多重改性或性能更好的改性粘土礦物引人土壤重金屬修復領域，以提高其對土壤中重金屬的吸附與固定能力，使被固定的重金屬不易重新釋放出來，產生二次污染。結語

粘土礦物在重金屬污染治理中有著獨特的作用，開發儲量豐富、價格低廉的粘土礦物，并對有一定凈化功能的粘土礦物進行合理改性，是治理重金屬污染的新途徑，這種方法具有設備簡單、操作簡便、二次污染小等優點。目前，利用粘土礦物治理重金屬污染，大都處于研究階段，實際的應用不是很多。隨著人們對粘土礦物凈化重金屬污染機理的深入認識，以及粘土礦物加工改性技術的不斷開發和應用，粘土礦物在重金屬污染治理中，將會發揮重要的作用。

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第五篇：輕粘土研究

“新型材料藝術——超輕粘土”課題研究小結

在校領導的關心指導下,我們美術組以面向小學生注重個性發展、重視藝術實踐、培養創新精神、倡導綜合學習和探究學習、參與為文化傳承的教育理念開展了“新型材料藝術——超輕粘土”課題研究工作。在泥塑活動的實施過程中，我們先后發展了學生的動手能力、觀察力、鑒賞力、記憶力、想象力、和創造力等課題實施目標。為了更好地開展今后的工作，結合初期制定的教研計劃，現將教研工作總結如下：

玩泥是孩子的天性。一團團“彩泥”在孩子們手中變換著，是創造？是游戲？是最能鍛煉孩子動腦筋的一種創作方式，他們將心中美好的事物通過粘土的制作，以立體的形式表現出來，讓思維產生興趣和沖動，在興趣和沖動中開始了創作游戲。他們通過游戲粘土，將天真浪漫、粗獷豪放的造型帶入自由創作中，用粘土這種媒介，記錄對生活經驗的感受，獲得情感的發泄，自由創作的快感，使其真正成為開啟幼兒智慧大門的鑰匙，這便是我們對孩子進行超輕粘土創作活動的意義所在！

一、超輕粘土活動對學生的作用

1、超輕粘土活動有利于學生身體的發展。超輕粘土和其他繪畫形式不同，它使學生有了更多運用手指和肌肉的機會，學生的小肌肉群正處于發育階段，需要有一種經常、適量的鍛煉來促進它更好的發育，用超輕粘土正是符合這一要求的方法。制作中需要運用“團、搓、壓扁、粘合、拉、分泥、雕刻”等基本技能，這都需要雙手及五指配合，手腕轉動，小臂、大臂用力。這種合理的鍛煉使孩子肌肉群得到最佳發育，也促進了孩子手部的靈活性和協調性。在制作粘土活動中，還調動了學生的視覺、聽覺、觸覺等多種感官的積極參與與配合，對學生的腦部發育有著極其重要的影響。

2、在制作粘土活動有利于發展學生智力和創造才能。在制作粘土活動中，不僅僅教給學生美術方面的簡單技能，培養學生的藝術才能，而且在促進學生智力和創造能力的發展上有著獨特的作用。如各種式樣的汽車和不同的小動物，所以，逐漸能把自己看到的“頑皮的貓”、“捉老鼠的貓”、“貪吃的貓”等活靈活現地表征出來。他們開始能運用在超輕粘土的方式，表達自己所感悟的事物突出的特征。

3、泥塑活動有利于學生實際操作能力的發展。在制作粘土活動中，有一種發展是最為明顯的，那就是實際操作能力超輕粘土用的材料是柔軟的、可變化的、有體積的及適合于立體造型，學生可以揉成一團，搓成長條，分成小塊，粘成整體，還可以揉成任意形狀的物體，由于粘土具有這樣的特性，因此，它特別容易引起學生的興趣，使之在好動好奇心理的支配學生逐漸學會了各種操作技能，在這種情況下，他們自己去動手操作，進行有趣的搓、捏等。在這種操作中體驗，捏出圓圓的小鳥頭和尖尖的小嘴，在一端邊捏邊拉出小鳥的身體和尾巴，學生的操作技能得到了鍛煉和提高，也得到了無窮的樂趣。

二、實事求是的開展課題實踐。

三四年級的孩子們已經具備了一定的觀察力和形象記憶力，掌握了捏、揉、搓、拉、壓等在制作粘土活動中的一些基本技法和技巧，能夠用簡單粘土形表達記憶中的物品。我們主要指導他們在記憶生活的基礎上，有目的的觀察生活形象的細節，運用泥形，學習使用工具比較細致的做出各種物品，激發他們對粘土的更大興趣，進一步增強立體表現，習慣立體思維。在教學中，不同的學生發展存在著很大的差異性，因此我們教師要因材施教、因人施教，在教學中采用適合學生的教學方式，避免用統一的標準評價不同的學生，在學生面前慎用橫向比較，特別是在評價學生作品時，更應注意對學生的激勵與鼓勵，幫助學生建立自信、體驗愉悅。

三、激發學生對泥塑活動的興趣。

學生感興趣時注意力集中，感知力最強，掌握知識技能最快。興趣是孩子認識一切事物的前提。兒童并不是被動地接受環境的刺激，他們有一種不自覺的，由內部指引的，創造性的心理狀態，積極地吸取環境中的印象和文化模式。根據這一點，為了引起學生的興趣，形成主動學習泥塑的狀態，我們積極組織帶領學生參觀泥塑作品、超輕粘土作品、面塑作品等，學生被其古樸、豪放的風格和中華民族傳統工藝之美所吸引，并激發起幼兒主動嘗試的欲望。

四、組織學生欣賞民間藝術，促進學生泥塑能力提高

民間藝術的形式種類繁多，形態豐富多彩，其文化內涵深遠豐富，他們用各種不同的形式述說著各個時期的故事，反映了廣大勞動人民對美好生活的向往。引導孩子欣賞這些作品，它有助于開闊學生的視野，豐富孩子的文化知識，拓展他們的知識面。開展了捏粘土比賽活動，除了加強練習學生捏、粘、卷、揉、搓、團、壓等技能外，還有助于解決學生成長階段注意力不集中，依賴性嚴重，不愛動腦思考，遇到困難易退縮，動手能力差，肢體不協調等諸多問題。經過一學年的學習，孩子們在各個方面有了長足的進步，對超輕粘土活產生了很大的興趣，常常會主動要求創作。

制作超輕粘土對培養學生技能技巧，學生素質，培養學生興趣，有其不可替代的獨特作用。教學方法也是多種多樣，這需要教師去探索、發掘。讓超輕粘土這一新型材料藝術在孩子們身上大放異彩，使其真正成為開啟學生智慧大門的鑰匙。