磷灰石（apatites）是一族以鈣磷酸鹽為代表的礦物，是磷肥工業與磷鹽化工的主要原料和磷元素的重要來源，按其通道離子組成可分為氟磷灰石、羥基磷灰石、氯磷灰石等，自然界中產出的主要是含微量Cl^-或OH^-的氟磷灰石。
　　近年來，隨著磷灰石晶體化學特征研究的深入進行，其環境屬性的研究也得到了廣泛的重視，國內外學者在磷灰石治理環境污染和修復環境失衡等方面進行了積極的探索，具有重要的理論價值和實際意義。
 
1、磷灰石的環境屬性
 
　　磷灰石結構中存在著廣泛的類質同像替換，如Ca位替換、四面體替換、通道離子替換等，基于獨特的晶體化學特征，磷灰石族礦物具有孔道效應、表面吸附、離子交換、化學活性、納米效應、生物相容性等良好的環境屬性。
 
（1）孔道效應
 
在磷灰石結構中，由Ca（2）位置呈等邊三角形相間排列所構成的平行于晶體c軸分布的孔道以及孔道中存在的可替換的附加陰離子所表現出的環境屬性，類似于大家熟知的天然沸石晶體結構中由Si-O四面體構建的孔道及孔道中可交換陽離子所表現出的并已得到廣泛利用的環境屬性。磷灰石的結構孔道是水溶液體系中離子進行交換和溶解擴散的重要通道。黃志良等人曾采用天然磷灰石和Sol-Gel法合成的羥基磷灰石去除廢水中的F^-，并取得了良好的去除效果，這也是磷灰石孔道效應的具體體現。

磷灰石的孔道效應是新近發現的，因此，它所理應具有的分子篩、離子篩和孔道內離子交換效應，隨著研究的深入進行和礦物表面與孔道測試技術方法的進一步發展，會得到一個全新的認識。
 
（2）表面吸附
 
　　吳大清等人認為磷灰石對金屬離子具有很強的表面吸附能力，同時，磷灰石表面具有較強的親水性，與水溶液接觸時，發生表面脫氫作用，在其表面形成表面基——≡PO^-、≡POH、≡CaOH等，這些基團可進一步與水溶液中有毒有害的金屬離子發生吸附反應，形成表面絡合物。這一過程實質上是表面基團的質子轉移，并伴隨著溶液中金屬離子占據耦合H位，形成表面絡合物。
 
（3）離子交換
 
　　由于磷灰石晶體結構中存在著廣泛的類質同像替換，磷灰石可作為無機晶格離子交換劑，用于去除水溶液體系中的毒性離子或離子基團。
　　Xu等人認為可用其表面晶格中的Ca2+與水溶液中的毒性陽離子Pb2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、Mn2+、Ba2+等廣泛發生交換作用，去除水中的這些離子，去除順序為Pb2+＞Cd2+＞Zn2+＞Mn2+＞Hg2+。
　　韓成等人也曾采用磷灰石及其變體交換吸附水溶液中的F-、CO32-、OH-等絡陰離子，并表現出了良好的離子交換性能。
 
（4）化學活性

　　磷灰石族礦物作為環境礦物材料的化學活性主要是表現在溶解-沉淀方面，它包括兩個過程，即磷灰石的溶解和溶度積更低的磷酸鹽礦物的沉淀。天然磷灰石去除水溶液中鉛離子的溶解-沉淀過程，就是受氟磷灰石和氟磷鉛石溶度積的差異來控制的。
 
（5）納米效應
 
　　一般而言，粒徑越小比表面積越大，表面吸附反應進行的越快。通過控制Ca/P比而合成的結晶度較低的羥基磷灰石在水溶液中可表現出良好的納米效應，能夠為其參與吸附反應提供更加優越的條件，這是因為納米尺度比起其他尺寸具有更多的物理化學性質，如表面和界面效應、臨界尺寸效應、量子尺寸效應和量子隧道效應等。Sol-Gel法合成的羥基磷灰石在去除水溶液中的F-時就表現出了這種納米效應。
 
（6）生物相容性
 
　　含結構碳酸根的羥基磷灰石是生物體中骨骼和牙齒的主要無機組成成分，人工骨、藥物的可降解載體、納米抗癌材料等都是磷灰石生物相容性的具體應用，因此，磷灰石的研究和開發在醫學界也引起了廣泛的關注。同時，磷灰石還可作為生態資源材料（本身就與生態系統和諧的材料），這也是生物相容性的具體表現。
　　磷灰石的這些環境屬性在實際的應用中往往是交叉滲透的，相互影響，相互依存，可能是某幾種屬性的綜合表現，同時也使得磷灰石作為一種新型的環境礦物材料在污染治理和環境修復等方面極具廣闊的應用前景。
 
2、磷灰石在環境治理中的應用
 
（1）核廢料處置
 
　　核廢料是一類危害巨大的特殊污染物，隨著核能源的大量開發與利用，開展核廢料的安全處置研究已日益成為一項緊迫的工作。對核廢料實行儲存與填埋處置是目前較為流行的一種方法，如何有效地防治核廢料的泄漏便成為關鍵性的問題。而磷灰石作為核屏蔽材料的研究最引人注目，這主要是由于它具有很強的化學和地質穩定性，能夠在晶格位置上廣泛地容納多種元素，目前，這方面的研究主要應用于核反應器內作為填充材料或填加到混凝土中用以包裹反應器。磷灰石對Sr、Mo、Re、Eu、La等放射性元素的吸附固化作用的研究也多見報道。
 
（2）水體污染治理
 
　　磷灰石對水體污染的治理主要著重于含重金屬離子工業廢水方面的研究。磷灰石對水溶液中的毒性重金屬離子具有比較廣泛的去除作用，Fuerstenau等人曾采用結構碳酸根含量較高、結晶性較差的天然磷灰石——膠磷礦對水體系中重金屬離子的去除效果進行了較為系統的實驗研究，并指出磷灰石對Pb、Cd、Cu、Zn、Fe、Hg、Cr、Ni、Mg、Ba、U等均具有良好的去除效果，在合適的工藝條件下，去除率可接近100%。同時，磷灰石對水體中的氟離子也具有較好的去除效果。
　　筆者曾采用天然磷礦石對某冶煉廠工業廢水的治理效果進行了實驗研究，結果發現：天然磷礦石對廢水中的Pb、Cd等重金屬離子有著明顯的去除作用。
 
（3）土壤污染治理
 
　　天然磷灰石可應用于重金屬污染土壤的實地治理，對Pb、Cd、Zn等重金屬離子均具有良好的去除作用。在pH值為3~12的范圍內，對土壤中Pb、Cd、Zn的去除率分別為62.3%~99.9%、20%~97.9%、28.6%~98.7%，并無二次污染。
 

（4）新型抗菌材料
 
　　載銀（銅、鋅、納米TiO2）系列羥基磷灰石制品，具有良好的抗菌功能，對多種常見菌種（如酵母菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等）具有高效的抗菌作用，是一種安全性高，不易揮發，不易分解，耐熱性好，對人體無害且能長效抗菌、防霉的功能性新材料。
　　可以相信，隨著對磷灰石環境屬性認識和相關研究的加深，作為一種新型環境功能礦物材料，必將會拓寬磷灰石在環境保護事業中的應用領域，前景廣闊！
 
參考資料：磷灰石晶體化學性質及其環境屬性應用，作者：胥煥巖等
獨家編輯整理：粉體技術網
 

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