磷灰石（apatites）是一族以钙磷酸盐为代表的矿物，是磷肥工业与磷盐化工的主要原料和磷元素的重要来源，按其通道离子组成可分为氟磷灰石、羟基磷灰石、氯磷灰石等，自然界中产出的主要是含微量Cl^-或OH^-的氟磷灰石。
　　近年来，随着磷灰石晶体化学特征研究的深入进行，其环境属性的研究也得到了广泛的重视，国内外学者在磷灰石治理环境污染和修复环境失衡等方面进行了积极的探索，具有重要的理论价值和实际意义。
 
1、磷灰石的环境属性
 
　　磷灰石结构中存在着广泛的类质同像替换，如Ca位替换、四面体替换、通道离子替换等，基于独特的晶体化学特征，磷灰石族矿物具有孔道效应、表面吸附、离子交换、化学活性、纳米效应、生物相容性等良好的环境属性。
 
（1）孔道效应
 
在磷灰石结构中，由Ca（2）位置呈等边三角形相间排列所构成的平行于晶体c轴分布的孔道以及孔道中存在的可替换的附加阴离子所表现出的环境属性，类似于大家熟知的天然沸石晶体结构中由Si-O四面体构建的孔道及孔道中可交换阳离子所表现出的并已得到广泛利用的环境属性。磷灰石的结构孔道是水溶液体系中离子进行交换和溶解扩散的重要通道。黄志良等人曾采用天然磷灰石和Sol-Gel法合成的羟基磷灰石去除废水中的F^-，并取得了良好的去除效果，这也是磷灰石孔道效应的具体体现。

磷灰石的孔道效应是新近发现的，因此，它所理应具有的分子筛、离子筛和孔道内离子交换效应，随着研究的深入进行和矿物表面与孔道测试技术方法的进一步发展，会得到一个全新的认识。
 
（2）表面吸附
 
　　吴大清等人认为磷灰石对金属离子具有很强的表面吸附能力，同时，磷灰石表面具有较强的亲水性，与水溶液接触时，发生表面脱氢作用，在其表面形成表面基——≡PO^-、≡POH、≡CaOH等，这些基团可进一步与水溶液中有毒有害的金属离子发生吸附反应，形成表面络合物。这一过程实质上是表面基团的质子转移，并伴随着溶液中金属离子占据耦合H位，形成表面络合物。
 
（3）离子交换
 
　　由于磷灰石晶体结构中存在着广泛的类质同像替换，磷灰石可作为无机晶格离子交换剂，用于去除水溶液体系中的毒性离子或离子基团。
　　Xu等人认为可用其表面晶格中的Ca2+与水溶液中的毒性阳离子Pb2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、Mn2+、Ba2+等广泛发生交换作用，去除水中的这些离子，去除顺序为Pb2+＞Cd2+＞Zn2+＞Mn2+＞Hg2+。
　　韩成等人也曾采用磷灰石及其变体交换吸附水溶液中的F-、CO32-、OH-等络阴离子，并表现出了良好的离子交换性能。
 
（4）化学活性

　　磷灰石族矿物作为环境矿物材料的化学活性主要是表现在溶解-沉淀方面，它包括两个过程，即磷灰石的溶解和溶度积更低的磷酸盐矿物的沉淀。天然磷灰石去除水溶液中铅离子的溶解-沉淀过程，就是受氟磷灰石和氟磷铅石溶度积的差异来控制的。
 
（5）纳米效应
 
　　一般而言，粒径越小比表面积越大，表面吸附反应进行的越快。通过控制Ca/P比而合成的结晶度较低的羟基磷灰石在水溶液中可表现出良好的纳米效应，能够为其参与吸附反应提供更加优越的条件，这是因为纳米尺度比起其他尺寸具有更多的物理化学性质，如表面和界面效应、临界尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等。Sol-Gel法合成的羟基磷灰石在去除水溶液中的F-时就表现出了这种纳米效应。
 
（6）生物相容性
 
　　含结构碳酸根的羟基磷灰石是生物体中骨骼和牙齿的主要无机组成成分，人工骨、药物的可降解载体、纳米抗癌材料等都是磷灰石生物相容性的具体应用，因此，磷灰石的研究和开发在医学界也引起了广泛的关注。同时，磷灰石还可作为生态资源材料（本身就与生态系统和谐的材料），这也是生物相容性的具体表现。
　　磷灰石的这些环境属性在实际的应用中往往是交叉渗透的，相互影响，相互依存，可能是某几种属性的综合表现，同时也使得磷灰石作为一种新型的环境矿物材料在污染治理和环境修复等方面极具广阔的应用前景。
 
2、磷灰石在环境治理中的应用
 
（1）核废料处置
 
　　核废料是一类危害巨大的特殊污染物，随着核能源的大量开发与利用，开展核废料的安全处置研究已日益成为一项紧迫的工作。对核废料实行储存与填埋处置是目前较为流行的一种方法，如何有效地防治核废料的泄漏便成为关键性的问题。而磷灰石作为核屏蔽材料的研究最引人注目，这主要是由于它具有很强的化学和地质稳定性，能够在晶格位置上广泛地容纳多种元素，目前，这方面的研究主要应用于核反应器内作为填充材料或填加到混凝土中用以包裹反应器。磷灰石对Sr、Mo、Re、Eu、La等放射性元素的吸附固化作用的研究也多见报道。
 
（2）水体污染治理
 
　　磷灰石对水体污染的治理主要着重于含重金属离子工业废水方面的研究。磷灰石对水溶液中的毒性重金属离子具有比较广泛的去除作用，Fuerstenau等人曾采用结构碳酸根含量较高、结晶性较差的天然磷灰石——胶磷矿对水体系中重金属离子的去除效果进行了较为系统的实验研究，并指出磷灰石对Pb、Cd、Cu、Zn、Fe、Hg、Cr、Ni、Mg、Ba、U等均具有良好的去除效果，在合适的工艺条件下，去除率可接近100%。同时，磷灰石对水体中的氟离子也具有较好的去除效果。
　　笔者曾采用天然磷矿石对某冶炼厂工业废水的治理效果进行了实验研究，结果发现：天然磷矿石对废水中的Pb、Cd等重金属离子有着明显的去除作用。
 
（3）土壤污染治理
 
　　天然磷灰石可应用于重金属污染土壤的实地治理，对Pb、Cd、Zn等重金属离子均具有良好的去除作用。在pH值为3~12的范围内，对土壤中Pb、Cd、Zn的去除率分别为62.3%~99.9%、20%~97.9%、28.6%~98.7%，并无二次污染。
 

（4）新型抗菌材料
 
　　载银（铜、锌、纳米TiO2）系列羟基磷灰石制品，具有良好的抗菌功能，对多种常见菌种（如酵母菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等）具有高效的抗菌作用，是一种安全性高，不易挥发，不易分解，耐热性好，对人体无害且能长效抗菌、防霉的功能性新材料。
　　可以相信，随着对磷灰石环境属性认识和相关研究的加深，作为一种新型环境功能矿物材料，必将会拓宽磷灰石在环境保护事业中的应用领域，前景广阔！
 
参考资料：磷灰石晶体化学性质及其环境属性应用，作者：胥焕岩等
独家编辑整理：粉体技术网
 

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