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化学进展 ›› :0- DOI: 10.7536/PC20260408
综述与评论
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矿物功能材料在环境领域的研究进展

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Research progress of mineral functional materials in the field of environment

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摘要

随着社会的发展和经济水平的不断提升，环境问题也日趋严重，对人类社会和生态环境造成了极大威胁。由于矿物功能材料具有稳定性好、丰富的储量、低成本、低毒、易于回收、效果好等优点，已经被广泛用于环境领域。本文主要从矿物功能材料出发，重点讨论矿物功能材料在污水处理、空气污染治理和土壤修复等环境领域中的应用，系统梳理其在染料、重金属离子、氮磷营养盐、气态污染物以及土壤重金属和有机污染物治理中的研究进展，并总结矿物功能环境材料未来的发展方向。

Abstract

With the development of society and the continuous improvement of economic activities, environmental problems have become increasingly serious, posing great threats to human society and ecological systems. Mineral functional materials have been widely applied in environmental remediation owing to their high stability, abundant reserves, low cost, low toxicity, easy recovery, and excellent treatment performance. This review focuses on the applications of mineral functional materials in wastewater remediation, air pollution control, and soil remediation. The recent progress in the removal of dyes, heavy metal ions, nitrogen and phosphorus nutrients, gaseous pollutants, soil heavy metals, and organic pollutants is systematically summarized. Finally, the future opportunities, challenges, and development directions of mineral functional environmental materials are discussed.

Contents

1 Introduction

2 Applications of Functional Mineral Materials in Wastewater Remediation

2.1 Functional Mineral Materials for Dye Removal

2.1.1 Adsorptive Removal of Dyes by Functional Mineral Materials

2.1.2 Catalytic Degradation of Dyes by Functional Mineral Materials

2.2 Functional Mineral Materials for Heavy Metal Ion Removal

2.2.1 Adsorptive Removal of Heavy Metal Ions by Functional Mineral Materials

2.2.2 Removal of Heavy Metal Ions by Mineral-Based Membranes

2.3 Functional Mineral Materials for Nutrient Removal, Including Nitrogen and Phosphorus

3 Applications of Functional Mineral Materials in Air Pollution Control

3.1 Functional Mineral Materials for Industrial Flue Gas Treatment

3.2 Functional Mineral Materials for Urban Air Quality Management

3.3 Functional Mineral Materials for Indoor Air Pollution Control

4 Applications of Functional Mineral Materials in Soil Remediation

4.1 Functional Mineral Materials for Heavy Metal Passivation in Contaminated Soils

4.2 Functional Mineral Materials for Organic Pollutant Remediation in Soils

5 Conclusion and outlook

关键词

矿物功能材料 / 环境科学 / 污水处理 / 空气污染治理 / 土壤修复

Key words

mineral functional materials / environmental science / wastewater remediation / air pollution control / soil remediation

引用本文

引用格式 ▾
李春雪, 陈一泓, 廖光福. 矿物功能材料在环境领域的研究进展[J]. 化学进展, , (): 0 DOI:10.7536/PC20260408
Chunxue Li, Yihong Chen, Guangfu Liao. Research progress of mineral functional materials in the field of environment[J]. Progress in Chemistry 0 DOI:10.7536/PC20260408

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1 引言

随着社会的发展和经济水平的不断提升，环境问题也日趋严重，对人类社会和生态环境造成了极大威胁。正因为盲目地追求经济增长的粗放型生产方式，导致过度地使用自然资源，最终导致能源短缺、生态破坏和环境污染等三大难题[1]。因此，防治污染和保护环境已经成为我国的一项基本国策。

20世纪90年代初，针对于防治污染和保护环境等策略，日本的山本良一教授首次提出了“环境材料”的概念[2]。环境材料是指那些对资源和能源消耗最少，对生态环境影响最小，再生循环利用率最高或者可分解且可重复使用，具有优异处理效率和环境协调性，且包括那些具有净化作用和修复能力的材料。环境材料倡导绿色低价且可重复使用的准则，天然矿物及矿物功能材料能够与环境和生态相互协调，解决环境污染问题的前提下却不引入新的危害[3]。

矿物功能材料具有稳定性好、丰富的储量、低成本、低毒、易于回收、效果好等优点，已经被广泛用于环境领域。本文主要从矿物功能材料在环境领域的应用出发，重点讨论矿物功能材料在污水处理、空气污染治理和土壤修复中的研究进展，并总结矿物功能材料在未来环境治理中的发展方向

2 矿物功能材料用于污水处理

城镇化和农业生产活动的不断加快，大量工业废水、生活污水及农业面源污染物持续排入天然水体，导致水环境质量下降问题日益突出。水体污染不仅破坏水生态系统结构与功能，还会通过饮用水安全、农田灌溉及食物链传递等途径对人体健康造成潜在威胁[4]。当前水体中常见的污染物类型复杂，既包括染料、抗生素等难降解有机污染物，也包括重金属离子以及氮、磷等营养盐类污染物，不同污染物往往同时存在，使污水治理面临更高要求[5]。针对上述问题，目前常用的污水处理技术主要包括化学沉淀法、吸附法、离子交换法、膜分离法、生物处理法以及高级氧化法等。不同方法各具优势，例如生物法适用于大规模有机污染物去除，化学法在特定离子去除方面效率较高，膜分离法具有较高的分离精度，而吸附法则因操作简便、适应性强和成本可控而受到广泛关注。在众多处理材料中，活性炭、树脂、金属氧化物及各类功能复合材料已得到较多研究，但部分材料仍存在成本较高、再生困难或稳定性不足等问题。相比之下，天然矿物及其功能化材料因储量丰富、来源广泛、价格低廉、结构可调且环境友好，在污水处理领域逐渐展现出独特优势。近年来，由水污染引起的环境问题得到越来越多的关注，这些污染物主要包括有机染料、重金属离子、氮、磷等富营养化污染盐等[6]。为了解决这些问题，矿物功能材料得到越来越多的关注，这主要是因为它们拥有稳定性好、丰富的储量、低成本、低毒、易于回收等优点[7]。基于此，本节主要讨论近年来矿物功能材料用于污水处理的研究进展。

2.1 矿物功能材料用于染料处理

染料种类繁多，在给人类的生活带来绚丽多彩的同时，也给环境和人类带来了威胁[8]。例如，纺织工业生产过程中会产生大量含多种染料化合物的废水，这类废水不仅对环境构成严重威胁，还会破坏生态系统，危害生物机体健康[9]。因此，如何高效的解决染料带来的水体污染问题已经成为事关国民健康、生态环境与可持续发展的国家重大发展战略。

在矿物功能材料对染料的吸附机制中，静电吸引、π-π相互作用、n-π相互作用、范德华力、氢键和孔扩散起着重要作用[10]。矿物功能材料的发展让我们看到了曙光，它们不仅可以实现高效的染料吸附，同时也能够通过负载催化剂实现对染料的高效去除。

2.1.1 矿物功能材料用于染料吸附

染料通常用于皮革、纺织、塑料、食品、造纸工业等，由于其成分复杂、颜色深、有机污染物含量高，因此很难分解。矿物功能材料被认为是一种非常有前途的染料吸附剂之一，能够直接且高效的去除染料分子[11]。

溶液 pH 是影响矿物功能材料去除染料污染物的重要因素之一。其根本原因在于，pH 变化会调控矿物表面羟基等官能团的存在状态，从而引起表面电荷性质和界面作用方式的改变，最终影响材料对不同类型染料分子的吸附容量与去除效率。

结合图1可知，海泡石对阳离子染料 MB 的吸附去除率随 pH 升高而提高，而对阴离子染料 DR-23 的去除率则随 pH 升高而降低，说明矿物表面电荷特性在染料吸附过程中发挥着关键作用（图1）[12]，同时也反映出不同染料分子在界面作用机制上的差异性。

Santos等人研究了在较高的pH值下，亚甲基蓝和罗丹明B的降解效果更好，这归因于氢氧化钠溶液释放的羟基离子影响了氧化锌的表面电荷和能带宽度，降低了电子-空穴对的能量需求，提高了降解速率[13]。Haddad等人主要研究了阿尔及利亚矿物粘土用于实现环丙沙星抗生素的高效吸附，最大吸附量高达0.09942 g且染料去除率高达90.16 %，这说明矿物功能材料对染料吸附具有潜在的优势[14]。此外，钠基膨润土也显示出对水性铬蓝黑R的高效吸附效果[15]。与此同时，Yang等人也研究了碳杂化蒙脱石纳米片用于刚果红染料的吸附实验，结果表明，当刚果红浓度为1 g/L时，碳杂化蒙脱石纳米片的吸附量达到0.84 g/g，这可能是因为其特殊的结构和协同吸附作用（图2）[16]。通过硅烷偶联剂改性，高岭石也显示出对刚果红优异的吸附能力和重复利用性[17]。氨基功能化的海泡石表现出较大的吸附容量（522 mg/g）、较低的吸附平衡时间（< 10分钟）和较高的重复利用性能，这主要是归因于高比表面积、孔体积及氨基的强相互作用[18]。基于此，矿物功能材料在染料吸附领域显示出巨大的潜力。

实现高效的染料吸附，主要从吸附剂材料的孔结构及表面基团出发，可以通过复合、掺杂和包覆等多种改性策略来调控多孔结构和表面活性，从而精确满足目标功能需求[19]。在矿物功能材料的设计过程中，通过一系列的加工策略实现对孔结构的调控，也使用一些表面改性策略实现对表面基团的调控，从而实现高效的染料吸附。同时，利用功能矿物材料的丰富的储量、低成本、低毒、易于回收等特性，能够实现进一步的实际应用。在确保其安全性和经济可行性的前提下，如果评估得当，矿物材料可以用于再提取矿物、提供电力厂的燃料、提供建筑材料以及修复采矿活动造成的地表和地下结构，为解决环境问题提供了思路[20]。

因此，矿物功能材料对染料的高效去除并非单纯来源于比表面积增大，而是由孔道结构、表面电荷和功能基团共同决定。对于阳离子染料，带负电的矿物表面能够通过静电吸引增强吸附；对于阴离子染料，则需要通过金属位点、氨基或有机改性层引入氢键、络合或疏水作用来提升亲和力。层状矿物的层间空间和纤维状矿物的孔道结构还可为染料分子提供扩散和限域吸附通道，从而提高吸附容量和速率。

2.1.2 矿物功能材料用于染料催化降解

用矿物功能材料进行染料催化降解是一种经济、环保且有效的处理方法。各种矿物材料，如红泥、天然矿物、尖晶氧化铝、钴硫化物和金属玻璃，都表现出一定的催化活性，并可以通过优化反应条件和材料复合来提高降解效率[21]。

光催化染料降解技术是一种新兴技术，能够将有机染料污染物彻底分解成二氧化碳和水，通过掺杂和表明修饰化可以修改碳点的电子结构，从而解决染料污染源问题[22]。光催化技术具有绿色、普适性、寿命长、低成本低毒、高效等一系列优点，已经在有机染料污染物去除得到巨大的关注[23]。例如，Yang等人成功构建了高岭石纳米片负载TiO2（Kaol/TiO2）复合光催化剂，在界面处形成稳定的Al−O−Ti化学键（图3a），这增强了光生载流子的分离效率，因此显著的提升光催化降解性能（图3b）[24]。BiOCl@高岭土纳米复合光催化剂也显示超高的光催化罗丹明B染料降解效率，能够在35分钟之内实现完全降解[25]。除此以外，矿物负载型光催化剂的性能提升并不只是来自载体分散作用，还与矿物—半导体界面的化学键合和电荷转移密切相关。以 Kaol/TiO2 复合光催化剂为例，相关研究通过实验结果与密度泛函理论计算表明，Kaol 表面的 Al—OH 基团能够与 TiO2 的 anatase (101) 晶面相互作用，并在界面处形成稳定的 Al—O—Ti 化学键[24]。该界面键能够增强界面附近空间电荷区的能带弯曲，为光生电子和空穴的定向迁移提供快速通道，从而抑制载流子复合并提高染料光催化降解效率。故而，在矿物基光催化材料中，界面化学键、能带弯曲和电荷传输路径是解释催化活性提升的重要依据。

此外，ZnO/坡缕石纳米复合光催化剂也呈现出优异的光催化性能[26]。综上所述，功能矿物材料可以作为理想的催化剂载体，负载一系列半导体光催化材料，最终实现高效光催化染料降解性能，对消除有机染料污染物具有潜在价值。

酸处理海泡石/N掺杂TiO2能够活化过氧化单硫酸钾盐，通过先进氧化过程实现对甲基橙的高效降解[27]。通过组装Ag纳米粒子于二维SiO2纳米片上，能够实现对4-硝基苯酚的高效催化还原，动力学常数高达80.19 × 10-3 s-1，确保有机染料污染物高效去除[28]。因此，功能矿物材料同时也非常适用于先进氧化技术和催化还原技术，对彻底清除有机染料具有非常重要的意义。

除了光催化降解技术，先进氧化技术和催化还原技术也得到广泛关注[29]。矿物功能材料可应用于高级氧化过程（AOPs）体系中，并在光催化、Fenton-like、electro-Fenton 和 photo-Fenton 等反应中发挥催化或载体作用。

在矿物负载光催化剂中，矿物材料不仅作为惰性载体存在，还可通过表面羟基、晶格缺陷和界面化学键参与电荷转移过程。光照条件下，半导体产生的电子和空穴分别参与 O2 还原和 H2O/OH− 氧化，形成·O2−、·OH 等活性物种；在过硫酸盐体系中，表面金属位点或缺陷位点还可促进 PMS/PDS 活化，生成 SO4-、·OH等氧化物种[30]。这些活性物种进一步攻击染料分子的偶氮键、芳香环和发色基团，经历脱色、开环、小分子酸生成及最终矿化等过程。因此，后续研究应结合自由基猝灭实验、EPR、LC-MS 和 TOC 分析，明确主要活性物种、中间产物及降解路径。

2.2 矿物功能材料用于重金属离子去除

水体中的重金属污染具有毒性和致癌性，是一个全球性的环境问题。这些重金属很难去除，容易通过食物链在生物体内积累，对人类健康和环境造成极大危害。为了解决这些问题，吸附和膜过滤是两种最为有效的策略[31]。与传统化学沉淀、氧化还原等处理方法相比，吸附法和膜过滤法具有处理效率高、适用范围广及二次污染风险较低等优点。其中，矿物功能材料因其来源广泛、成本低廉、化学稳定性好以及表面活性位点丰富，在重金属离子去除过程中表现出良好的应用前景[32]。通过表面改性、结构调控及复合化设计，矿物材料不仅能够提高对特定重金属离子的吸附容量和选择性，还能够增强材料的再生性能和循环使用能力，因此在污水深度净化领域受到越来越多的关注。

以下部分将简要讨论矿物功能材料在金属离子去除方面的应用。

2.2.1 矿物功能材料用于重金属离子吸附

吸附技术是一种去除重金属离子污染物最有前途的技术之一，在对金属离子有效去除的同时，通过简单的酸洗过程又能够将金属离子回收。由于低成本、低毒和优异的吸附能力，矿物基吸附剂显示出巨大的潜力[33]。在粘土矿物表面上接枝高度分散的TiO2被证明是提高其重金属吸附能力的有效途径，合成的二维粘土矿物复合材料表现出高吸附容量、快速的动力学、优异的选择性和可再生性。

对于重金属离子吸附，理论计算同样有助于揭示矿物表面活性位点与金属离子之间的选择性结合机制。以 TiO2 接枝二维黏土衍生材料为例，DFT 计算表明，材料表面高度分散且空间稳定的钛羟基能够与 Pb2+ 形成强表面络合结构，其结合强度明显高于 Ca2+ 和 Mg2+ 等共存离子。这说明该类材料对 Pb2+ 的高选择性并非单纯源于比表面积增加，而是来自 Ti—OH 位点与 Pb2+ 之间的特异性配位作用。结合 XPS、吸附动力学和理论计算结果，可以更清楚地说明 Pb2+ 在矿物衍生二维表面的吸附过程涉及表面络合、静电作用和界面电子结构调控等多重机制[34]。

高吸附选择性主要归因于Pb2+与纳米片表面空间分布的钛羟基之间的强键合作用，这表明粘土矿物材料在重金属离子吸附方面具有巨大潜力（图4）[34]。Rakhym课题组使用天然沸石和黏土废渣用于Pb2+的高效去除，最大吸附量高达14 mg/g，这类低价吸附剂不仅实现高效的重金属离子吸附，而且也显示独特的可再生特性[35]。基于功能矿物材料的低价低毒及高吸附量特性，这确保了它们在重金属离子吸附方面的巨大潜力，同时，为了进一步增强吸附容量和选择性，一些功能化基团，例如巯基、羟基、羧基、氨基、甲氧基等也应该被引入到材料表面，增强与特定重金属离子的结合作用。

此外，矿物功能材料对重金属离子的吸附过程通常与其自身的层状结构、孔道结构、比表面积及表面电荷分布密切相关[36]。以蒙脱石、凹凸棒石、海泡石和沸石等为代表的天然矿物材料，普遍具有较强的离子交换能力和丰富的表面活性位点，能够通过静电吸附、表面络合、离子交换和表面沉积等多种机制实现对Pb2+、Cd2+、Cu2+、Cr(VI)和Hg2+等重金属离子的有效去除。特别是在溶液pH、初始浓度和共存离子条件变化时，矿物材料表面的羟基、氧桥和官能团能够与金属离子发生不同程度的配位作用，从而影响其吸附容量和吸附选择性。进一步来看，矿物功能材料对重金属离子的去除并非单一吸附过程，而往往涉及表面物理吸附、阳离子交换、静电作用、共沉淀及络合作用等多机制协同贡献（图5）[37]。

值得注意的是，天然矿物材料虽然具有成本低、来源广和环境友好等优势，但其原始吸附性能往往受到比表面积有限、活性位点不足及选择性不强等因素制约。因此，通过酸改性、碱改性、热处理、金属氧化物负载以及有机功能化修饰等方法对矿物材料进行调控，已成为提升其吸附性能的重要手段[38]。经过改性后，不仅可以显著增加材料表面的活性位点数量，还能够改善孔结构和表面化学环境，从而增强其对特定重金属离子的识别与结合能力。从实际应用角度来看，矿物功能吸附剂在重金属废水治理中还表现出良好的再生利用潜力。吸附饱和后的材料可通过酸洗、碱洗或络合剂解吸等方式实现重金属回收，并恢复部分吸附性能，这对于降低处理成本和促进资源循环利用具有重要意义。然而，矿物材料在复杂实际废水体系中的应用仍面临一定挑战，例如多种离子竞争吸附、天然有机物干扰以及长期循环使用后结构稳定性下降等问题。因此，未来应进一步加强对吸附机理、界面作用及材料失活规律的研究，并结合实际废水条件开发高选择性、高稳定性和易回收的矿物功能吸附材料，以推动其在重金属污染治理中的工程化应用。

2.2.2 矿物基膜用于重金属离子的去除

膜分离技术作为21世纪最有发展前景的高新技术，在重金属污水再利用中被广泛应用。它们具有一系列优点，包括：分离精度高，可达纳米级别；分离能耗低；常温操作，无相变，勿需添加化学药剂，无二次污染；设备可根据处理量灵活配置，占地面积小等[39]。从膜结构调控角度来看，矿物填料的引入有助于优化膜的亲水性、孔隙率和表面粗糙度。一般而言，亲水性的增强有利于提高水通量并减轻污染物在膜表面的沉积，而膜的亲水性与透过通量、膜截留率和膜污染特性密切相关。因此，矿物基膜兼具“高通量”和“高截留”的双重优势，在重金属废水深度处理和资源化回用方面具有重要应用价值。尤其是在低浓度重金属废水处理过程中，矿物基膜可通过膜孔筛分与表面吸附耦合作用，实现对痕量金属离子的高效富集和分离。

为了采用更环保的方法来提高聚醚酰亚胺膜的渗透性、抗污染性和有害重金属离子的吸附能力，天然膨润土作为填料被引入。Zhang等制备一种具有优异吸附性能的复合泡沫以吸附Pb2+[40]。研究考察了膨润土含量对改性织物的吸附性能和机械性能的影响，并研究了不同实验条件对吸附容量的影响。研究结果表明，这种复合泡沫具有优异的机械性能和高吸附效率，吸附过程符合伪二级动力学和Langmuir吸附等温线模型，为利用泡沫材料去除水中的重金属离子提供了新的思路。SEM和AFM分析表明，随着天然膨润土浓度的增加，大孔隙和表面粗糙度随之增加，同时对重金属离子的截留效率和抗污能力也显著提高了[41]。Ismail课题组揭示了粘土矿物引入基质膜中不仅可以提高Cu2+的吸附量和截留效率，而且也能提高纯水通量，最大吸附量可高达2.82 mg/g，截留效率高达97.7 %[42]。通过利用矿物基膜高吸附量和高选择性的优势，能够对重金属离子迅速去除和回收，也显著的降低设备成本。除此之外，矿物基膜还具有较好的抗污染潜力。重金属废水中通常伴随着悬浮颗粒、有机物及无机盐等复杂组分，极易导致膜孔堵塞和通量衰减。矿物填料的加入能够改变膜表面电荷分布和界面能特性，降低污染物在膜表面的吸附倾向，从而提升膜的抗污性能和运行稳定性。此外，部分矿物材料本身具有良好的热稳定性和化学稳定性，也有助于增强复合膜在复杂水环境中的服役寿命。

不过，矿物基膜在实际应用中仍面临一些挑战。例如，当填料添加量过高时，可能导致矿物颗粒在膜基体中分散不均，进而引发孔结构缺陷甚至降低膜的力学性能；同时，矿物与高分子基体之间界面相容性不足，也可能影响膜材料的长期稳定运行。因此，未来研究应进一步关注矿物填料的尺寸调控、表面功能化及界面相容性优化，并结合实际废水体系系统评估矿物基膜对多种重金属离子的协同去除能力。通过发展高稳定性、高选择性和可再生的矿物基复合膜材料，有望进一步推动其在重金属废水治理和再生回用中的工程化应用。

2.3 矿物功能材料用于氮、磷等营养盐去除

水体富营养化是当前水环境治理中的重点问题之一，主要是由于氮、磷等营养盐持续输入水体后，引起藻类和其他浮游生物异常繁殖，进而导致水华暴发、溶解氧下降、水体透明度降低以及水生态系统结构失衡。富营养化不仅会恶化湖泊、河流和水库的水质，还会影响饮用水安全、水生生物生存及水体景观功能，因此已成为全球范围内广泛关注的环境问题[43]。研究表明，氮和磷是诱发水体富营养化的关键限制因子，其主要来源包括农业面源污染、生活污水排放、工业废水排放以及底泥中营养盐的再释放等。

在氮、磷营养盐去除方面受到越来越多的重视。已有研究表明，天然黏土矿物对氨氮和磷酸盐均表现出一定去除能力，且其去除效果受溶液 pH、材料投加量和温度等因素显著影响（图6）[44]。当前用于营养盐吸附的材料主要包括活性炭、生物炭、离子交换树脂、层状双金属氢氧化物、金属氧化物及天然矿物材料等，其中天然矿物及其改性材料由于储量丰富、价格低廉、毒性较低、结构可调且具有良好的表面活性位点，逐渐展现出独特优势。因此，发展高效、稳定且可再生的矿物功能材料，为水体中氮、磷等营养盐的去除提供了新的研究思路和应用方向。

由于矿物功能材料低价低毒且高吸附能力的特征，因此在解决水体富营养化水质污染问题显示出巨大潜力[45]。镧改性膨润土已应用于富营养化湖泊，以降低水体中的磷浓度，缓解沉积物中的磷释放。在改性膨润土中，镧扮演活性组分角色。但是，镧与腐殖酸的络合作用可能会降低镧的活性（图7）。因此，如何合理的使用腐殖酸及优化腐殖酸复合比例能够实现最优吸附[46]。在最高天然有机质浓度下，镧对磷的去除率明显低于镧改性膨润土，这意味着膨润土增强了镧与天然有机质之间的相互作用，同时也增强了镧的吸附量[47]。为了克服富钙凹凸棒石在富营养化湖泊治理中存在的问题，将镧和铝共掺入热处理的凹凸棒石中，制备了一种新型的磷吸附剂。这种新型吸附剂的最大吸附量高达10.6 mg/g，这主要归因于磷与吸附剂之间形成稳固的配位键[48]。由于潜在的镧释放，在氮、磷等营养盐中使用镧改性膨润土仍然需要详细的风险评估。

3 矿物功能材料用于空气污染治理

随着工业化和城市化进程的不断加快，大气污染问题已成为制约生态环境质量提升和人体健康保障的重要因素之一。大气污染来源广泛，既包括工业燃烧、机动车尾气排放、建筑扬尘等人为活动，也包括火山喷发、沙尘暴等自然过程，但目前环境治理中关注的重点主要集中于人为源排放的污染物。大量研究表明，长期暴露于受污染空气环境中，会显著增加呼吸系统疾病、心血管疾病及部分癌症的发生风险[43]，同时还会引发酸雨、光化学烟雾、温室效应和臭氧层破坏等一系列环境问题。因此，开发高效、经济且可持续的大气污染治理技术具有重要意义。针对不同类型的大气污染物，目前常用的处理方法主要包括吸附法、催化转化法、吸收法、过滤分离法以及光催化降解法等。其中，吸附法因操作简便、适用范围广和处理效率较高，被广泛用于SO2、NOx、VOCs及甲醛等污染物去除[49]；催化转化法则主要依赖金属或金属氧化物催化剂，将有害气体转化为低毒或无害物质；过滤材料多用于颗粒物和气溶胶污染物控制；而活性炭、分子筛、金属氧化物及高分子复合材料等则是目前较常见的大气污染治理材料[50]。相比之下，天然矿物及其功能化材料由于具有丰富的孔道结构、较高的比表面积、良好的表面活性以及低成本、低毒和储量丰富等优点，在吸附、催化和复合净化等方面展现出独特优势。因此，矿物功能材料被认为是空气污染治理领域极具应用前景的一类环境功能材料。大气污染物主要分为气溶胶污染物和气态污染物，其中气态污染物主要包括以二氧化硫为主的含硫化合物，以氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合物、以二氧化碳和一氧化碳为主的碳氧化物、碳氢化合物及卤素化合物[51]。由于矿物功能材料具有良好的吸附性、离子交换性、膨胀性、分散性、可塑性、低成本低毒、储量丰富等优势，因此它们在空气污染物治理领域具有巨大潜力。

3.1 矿物功能材料用于工业废气治理

工业废气是我国大气污染的主要来源之一，传统的工业废气主要包括SO2、NO、NO2、CO2、CO等。一般来说，这些有害工业气体多为酸酐，大部分能溶于水，因而，可用呈碱性的矿物功能材料与其发生中和，从而实现高效吸附工业废气[51]。Firoozjaie课题组通过分子动力学模型研究了在13X和5A型沸石中，负载、拓扑结构和骨架外离子对SO2扩散的影响[52]。王军课题组开发了一种新型的含铁丝光沸石，这种沸石矿物材料能够直接用于实际应用。在室温298K和1个大气压条件下，对CO2吸附量为219 cm3/cm3，是迄今为止报道的最高值。更重要的是，制备的含铁丝光沸石对Ar、N2、CH4等表现出优异的选择性，其选择性比13X沸石吸附剂高出好几个数量级（图8）[53]。Liu课题组使用初湿浸渍与微波干燥相结合的策略制备了改性沸石，实现了增强的NOx吸附[54]。综上，矿物功能材料在工业废气治理领域显示巨大的应用潜力，通过表面有机改性、负载、掺杂与缺陷等策略能够有效的增强吸附能力和吸附选择性。

3.2 矿物功能材料用于城市空气治理

与工业废气相比，城市空气污染具有排放源分散、污染时空变化明显及暴露人群广泛等特点，其中机动车尾气排放被认为是城市空气污染的重要来源。汽车尾气中通常含有NOx、CO、碳氢化合物及颗粒物等多种有害组分，不仅会直接危害人体呼吸系统和心血管系统健康[55]，还可能通过光化学反应形成臭氧和二次气溶胶，进一步加剧城市复合型大气污染。因此，开发高效、经济且适用于复杂城市环境的空气净化技术具有重要现实意义。目前，城市空气污染治理常采用催化净化、吸附过滤、光催化降解以及复合功能材料协同处理等方法。常见治理材料包括贵金属催化剂、金属氧化物、活性炭、分子筛以及多孔陶瓷材料等，但部分材料仍存在成本较高、易失活或再生性能不足等问题。相比之下，矿物功能材料因具有良好的吸附性、离子交换性、热稳定性和可加工性，同时兼具低成本、低毒和资源丰富等优势，在城市空气污染治理领域展现出良好的应用前景。通过结构调控、表面改性和复合化设计，矿物材料不仅可用于尾气过滤和有害气体吸附，还能够与催化组分协同作用，进一步提升污染物去除效率。

城市空气污染物主要来源于汽车尾气即NOx、CO、碳氢化合物等的排放[51]。。利用高温热稳定性好且吸附能力强的海泡石作为汽车尾气过滤器也已经被报道。制备的海泡石空气过滤器用于汽车尾气过滤时，经过六次稀释后达到最佳性能，汽油机的CO、碳氢化合物和NOx排放量分别降低了2.26、3.28和4.66%[56]。为了充分利用粘土矿物材料的吸附性，国内外科研工作者们也使用粘土矿物材料制成汽车排气管和过滤器，此外，用粘土矿物材料代替活性炭还可以有效地减少汽车尾气中焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害[51]。

3.3 矿物功能材料用于室内空气污染治理

随着人们生活水平的提高和居住环境密闭程度的增加，室内空气质量问题日益受到广泛关注。相较于室外空气污染，室内空气污染具有污染源持续释放、通风条件受限及人员暴露时间长等特点，因此对人体健康的潜在危害更加隐蔽和持久。室内空气中的主要污染物包括甲醛、苯系物、挥发性有机化合物、氨以及颗粒物等，其中甲醛因来源广泛、释放周期长且毒性较强，已成为室内空气治理领域最受关注的污染物之一。随着家庭装修装饰材料（例如涂料、染色剂等）的需求不断增强，伴随着一些有机溶剂（例如甲醛、甲苯等）引入而引起的室内空气污染问题给人们的健康带来了潜在隐患[51]。当前，室内空气污染治理方法主要包括通风换气、物理吸附、化学氧化、光催化降解以及空气净化设备协同处理等。常用治理材料包括活性炭、分子筛、金属氧化物、高分子吸附剂及各类复合光催化材料等[57]，但部分材料仍存在选择性不足、再生性能较差或长期治理效果不稳定等问题。相比之下，矿物功能材料因具有丰富的孔道结构、较高的比表面积、良好的表面活性和较强的负载能力，同时兼具低成本、低毒、储量丰富及环境友好等优势，在室内空气污染治理中表现出良好的应用潜力。通过表面官能化、复合催化组分负载及结构优化设计，矿物功能材料不仅可以实现对甲醛等污染物的高效吸附，还可进一步结合光催化或生物降解过程，实现对室内污染物的持续净化与材料再生。

室内空气污染治理不仅是当前的热门研究课题之一，也是关系到人民健康安全的重大问题。空气中甲醛超标对人体的威胁是非常严重的，如果长期与它们接触，不仅会诱导一系列癌症例如鼻腔癌、咽喉癌、肺癌等，而且这类危害具有长期性、潜伏性和隐蔽性[58]。Radian课题组报道了聚乙烯二胺改性的蒙脱石[59]和细菌/聚乙烯二胺改性的蒙脱石[60]复合吸附剂，这类材料具有一系列优点，包括：（1）选择性吸附甲醛以降低细胞毒性；（2）缓冲溶液实现高效生物降解；（3）通过缓慢释放甲醛并随后被附着的细菌降解进行自清洁，从而实现材料的再生和长期使用（图9）。Zheng等人通过一个简单水解策略制备了一种TiO2/硅藻土复合材料，在TiO2与硅藻土之间通过Ti-O-Si共价键连接，它们显示出对气相甲醛优异的光降解性能和可回收利用性能[61]。因此，功能矿物材料是非常适用于室内空气污染的治理，可以通过吸附和光催化降解技术去有效地解决问题。基于它们特有的孔道结构和晶体结构缺陷，实现超强的吸附能力和潜在的负载能力。

4 矿物功能材料用于土壤修复

除污水处理和空气污染治理外，土壤修复也是矿物功能材料的重要应用方向。与水体和大气污染相比，土壤污染具有隐蔽性强、迁移过程复杂和修复周期长等特点，污染物一旦进入土壤体系，容易通过植物吸收、地下水迁移和食物链传递造成长期生态风险。因此，在土壤环境治理中，矿物功能材料的作用重点并不只是“去除”污染物，而是通过吸附、沉淀、络合、离子交换和形态转化等过程降低污染物的迁移性和生物有效性。

4.1 矿物功能材料用于重金属污染土壤钝化

重金属污染土壤修复是矿物功能材料应用较为集中的方向之一。由于 Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、As 等重金属元素在土壤中难以被降解，其环境风险主要取决于赋存形态、迁移能力和生物有效性。因此，原位钝化通常通过添加矿物材料，使重金属由活性较高的可交换态、酸溶态向碳酸盐结合态、氧化物结合态、有机结合态或残渣态转化，从而降低其淋溶迁移和植物吸收风险。石灰石、磷矿粉、坡缕石、钙镁磷肥、膨润土、蒙脱石、沸石及铁锰氧化物等均可作为重金属污染土壤修复材料。Zhang等比较了农业石灰、磷矿粉、坡缕石和钙镁磷肥对 Cd、Cu、Pb、Zn 污染城市土壤的稳定化效果，发现矿物材料能够明显降低重金属可交换态比例，并减少重金属淋溶迁移风险，其中钙镁磷肥和坡缕石的整体稳定化效果优于农业石灰和磷矿粉[62]。这说明矿物材料对重金属的钝化效果与其碱性调节能力、阳离子交换容量、孔道结构和表面活性位点密切相关。碱性矿物可通过提高土壤 pH 增强重金属在土壤颗粒表面的吸附；磷酸盐矿物可与 Pb 等金属离子形成低溶解度磷酸盐沉淀；层状和链状硅酸盐矿物则可通过层间交换、表面络合和孔道限域作用增强对金属离子的固定。

近年来，矿物—碳复合材料被用于进一步提升重金属污染土壤的钝化效果。Zhao等以红泥和玉米秸秆为原料制备红泥/生物炭复合材料，并将其用于 Pb 污染土壤修复[63]。结果表明，经过缺氧热活化后，红泥/生物炭复合材料形成较粗糙的多孔结构，材料中的 Fe3O4、金属氧化物和金属有机络合物可为 Pb 固定提供更多反应位点。其钝化过程主要包括 Pb2+ 与碳酸盐或氢氧化物形成难溶沉淀，以及 Pb 与金属有机络合物之间发生配位结合。进一步引入磷酸盐后，Pb可转化为更稳定的磷酸铅类沉淀，从而降低植物吸收和向食物链迁移的风险。该研究表明，矿物材料与生物炭、磷酸盐等组分复合，不仅可以改善材料孔结构和表面官能团，还能够通过沉淀、络合和形态转化协同增强重金属固定能力。

此外，矿物功能材料还可通过影响土壤有机质和微生物过程调控重金属形态。Song等研究发现，生物炭/蒙脱石添加能够促进堆肥体系中 Cu、Zn 的钝化，其关键机制并非单一吸附，而是有机组分、腐殖质和功能微生物共同参与的结果[64]。腐殖质、腐殖酸和富里酸中含有羧基、酚羟基、酰胺等官能团，可与重金属形成络合物；耐受或参与重金属转化的微生物则可通过吸附、生物转化、沉淀和固定等方式降低重金属生物有效性。因此，在真实土壤体系中，矿物功能材料不仅是重金属吸附剂，也可以作为调节土壤界面反应和微生态过程的功能载体。

4.2 矿物功能材料用于有机污染土壤修复

除重金属污染外，农药、多环芳烃、石油烃、抗生素和卤代有机物等也是土壤环境中常见的污染物。这类污染物通常具有疏水性强、结构稳定、降解难度高和潜在毒性强等特点，容易在土壤有机质和矿物颗粒表面富集。矿物功能材料在有机污染土壤修复中的作用主要包括两个方面：一是通过孔道吸附、疏水作用、氢键和表面络合降低污染物迁移性；二是作为催化活性组分或载体，促进污染物氧化降解和毒性削减。

黏土矿物、铁氧化物、锰氧化物、钛氧化物和天然硫化物等材料在有机污染物修复中具有一定优势。一方面，蒙脱石、膨润土、坡缕石、海泡石和沸石等矿物具有层状结构、孔道结构和较高的表面活性，可通过吸附富集降低有机污染物在土壤中的迁移。另一方面，赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、软锰矿、黄铁矿等含过渡金属矿物具有氧化还原活性，可在光照、过氧化物或过硫酸盐存在条件下促进·OH、SO4−、·O2− 等活性物种生成，从而诱导有机污染物发生羟基化、脱卤、开环和矿化等反应。在这类体系中，矿物材料不只是惰性载体，还可能通过表面 Fe2+/Fe3+、Mn3+/Mn4+ 或 Cu+/Cu2+ 等价态循环参与电子转移过程，进而影响活性物种生成效率和污染物降解路径。

总体来看，矿物功能材料在土壤修复中兼具污染物固定、界面反应调控和生态过程调节等多重功能。未来研究应从单一污染物去除效率评价转向真实污染土壤中的长期稳定性、复合污染协同修复和生态安全评价，尤其需要关注重金属再释放、有机污染物中间产物毒性以及矿物材料对土壤微生物群落和植物生长的影响。

5 结论与展望

大多数矿物功能材料基于其不同的特性在环境领域得到广泛关注，我们定义它们为矿物功能环境材料。随着科学技术和生活水平的不断提高，矿物功能环境材料的应用也将越来越广，其扮演的角色也将越来越明显。基于此，后续矿物功能环境材料的研究应该更加深入。从当前研究与应用趋势来看，矿物功能环境材料已经不再局限于传统的吸附剂或填料角色，而是逐渐向高效化、精准化、复合化和智能化方向发展。未来，该类材料将在水污染控制、大气污染治理、土壤修复、固体废弃物资源化利用以及环境催化等多个领域展现更大的应用潜力。与此同时，围绕材料制备、结构调控、作用机理和工程应用等方面开展系统研究，将有助于推动矿物功能环境材料从基础研究走向规模化应用。

（1）重点研究矿物功能材料的成分、结构和性能之间的相互关系。对于环境功能材料，重点关注吸附性能及催化性能。矿物功能材料的成分和结构（形貌、孔结构、晶体结构、物相结构等）对吸附和催化性能有着重要的影响。特别是矿物功能材料表面基团和孔结构的影响尤为突出。后续的工作应该重点聚焦于表面基团和孔结构的调控。在未来研究中，应进一步从微观尺度揭示矿物功能材料的活性位点分布规律，明确不同表面官能团、晶格缺陷以及孔径分布对污染物迁移、富集和转化过程的具体影响。尤其是在处理重金属、有机染料、抗生素、挥发性有机物等复杂污染物时，材料的表面化学性质与孔道传质能力往往共同决定其最终去除效果。通过建立“成分—结构—界面作用—性能”之间的系统关联模型，不仅能够为材料的定向设计提供理论依据，也有助于提升材料开发的科学性和针对性。除此之外，还应加强对多尺度结构调控的研究，将纳米尺度活性结构与宏观成型性能有机统一，以满足实际环境工程应用中对稳定性、选择性和循环利用性的综合要求。

（2）矿物功能材料的深加工和处理方法，包括提纯与改性也应该得到重视。通过改进和提升矿物材料的深加工和处理方法，能够对矿物功能材料进一步功能化，得到设计的结构与成分，实现最优的性能。天然矿物材料虽然来源广泛、成本低廉，但其成分复杂、杂质较多、活性位点有限，往往难以直接满足高标准环境治理需求。因此，发展高效、绿色、可控的深加工技术显得尤为关键。未来可在机械活化、热处理、酸碱改性、离子交换、表面接枝和模板调控等方面开展更深入研究，以提高材料纯度、改善表面活性并增强其环境适应能力。同时，应注重加工过程中的节能降耗和环境友好性，避免在材料制备过程中带来新的污染问题。对于工业化应用而言，如何在保证材料性能的同时降低加工成本、简化制备流程，也是矿物功能环境材料实现产业化的重要前提。

（3）重点研究新型矿物功能材料及功能复合材料。为了进一步提升矿物功能环境材料的性能，设计新型矿物功能材料及功能复合材料具有重大意义。例如，通过与有机材料进行简单的复合，在引入功能化基团的同时，也能够调控矿物功能材料的结构，显著地提升性能。矿物功能材料也是一种潜在的载体材料，用于负载高性能催化剂，能显著的提升催化性能。未来应进一步拓展矿物功能材料的复合思路，不仅可以与有机高分子、生物质材料、碳材料、金属氧化物、半导体材料等进行复合，还可通过构建多相界面、异质结结构和层级复合体系来实现协同增强。这样的复合设计能够有效弥补单一矿物材料在比表面积、导电性、活性位点种类以及光电响应等方面的不足，从而显著提高其吸附容量、反应速率和选择性。此外，矿物材料作为催化剂载体具有来源丰富、化学稳定性较高和结构可调等优势，可广泛应用于光催化、芬顿催化、电催化和热催化等领域。通过合理设计载体与活性组分之间的相互作用，可以提高催化剂分散性、稳定性和利用效率，进而拓展其在复杂环境体系中的应用范围。

（4）探索新型的污染物处理策略同样非常重要，能够充分利用矿物功能材料的优势且避免它们的缺陷。吸附性能和催化性能的提升主要归功于矿物功能材料的工程化设计，结合新型污染物去除策略能够进一步提升效率，彻底消除污染物的影响。随着环境污染类型日趋复杂和复合化，单一的污染控制手段已难以满足高效、彻底治理的需求。因此，应进一步探索吸附—催化协同、分离—转化耦合、原位修复与异位治理结合等新型处理模式，充分发挥矿物功能材料在多过程联动中的优势。例如，先利用矿物材料对污染物进行快速富集，再通过催化降解实现污染物的原位转化，可有效提高处理效率并降低二次污染风险。同时，对于实际废水、废气和土壤体系中存在的多组分共存、环境条件波动及基质干扰等问题，也需要开发更加灵活、适应性更强的应用策略。未来还可以结合膜分离、电化学、光催化及生物处理技术，构建多技术耦合体系，以实现污染物的高效去除与资源化利用。

（5）为了深入揭示矿物功能材料的吸附和催化机理，理论计算和原位表征手段应该被高度重视。通过原位表征去探究污染物降解路径，并通过理论计算进一步验证。机理研究是推动矿物功能环境材料由经验开发走向精准设计的重要基础。未来应更加重视先进表征技术与理论模拟手段的深度融合，例如利用原位红外、原位拉曼、同步辐射谱学、电子显微分析等技术，实时追踪材料表面活性位点变化、污染物中间产物生成以及界面反应过程，从而更加真实地揭示污染物在复杂环境中的迁移转化路径。同时，结合密度泛函理论、分子动力学模拟及多尺度计算方法，可以从原子和分子层面阐明吸附键合方式、电子转移机制和反应能垒变化，为实验现象提供可靠解释。通过“原位表征—理论计算—实验验证”相结合的研究模式，将有助于构建更加完整和可信的机理认知体系，为新材料设计和性能优化提供坚实支撑。

着眼于未来，机遇和挑战并存。随着社会的发展和经济水平的不断提升，环境问题也日趋严重，对人类社会和生态环境造成了极大威胁。利用矿物功能材料的高稳定性、储量丰富、低成本、低毒、易于回收等优点，能够有效的解决环境污染问题。本文主要从矿物功能材料出发，重点讨论了矿物功能材料在污水处理、空气污染治理和土壤修复中的应用进展，并总结了矿物功能环境材料未来的发展方向。通过对矿物材料的组分、结构与性能之间的相互作用的分析和研究，得出最优的设计思路。通过引入其他高性能材料至矿物材料中，通过协同作用进一步提升性能。使用理论计算及原位表征手段，进一步探究吸附和催化机理，对全面理解污染物去除起到至关重要的作用。未来的工作重心应该转移到科研成果产业化转化过程中来，能够从实际层面解决我国的环境污染问题。突破传统材料改性局限，开矿物功能材料设计新范式。

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