将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程.ppt

,11.4,0,11.4,将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程,北京科技大学土建和环境工程学院 於晓晋 陈希廉,11.4,0,11.4,摘要,我国矿山废弃物(包括废石、煤矸石及尾矿)中，至少有60亿吨富含天然纳米矿物。本文介绍了其在下列方面的应用: 1.抑“氨”治“霾”方面; 2.防治沙漠化方面; 3.防治耕地重金属和农药污染方面; 4.建设海绵城市方面; 5.房屋墙体隔热节能等方面的应用。,汇报大纲,一、从纳米材料与纳米科技说起 二、天然纳米矿物的发现、意义及与人工纳米材料的差异 三、富含天然纳米亚微米矿物的矿山废弃物 四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例,汇报大纲,一一一、从纳米材料与纳米科技说起,“纳米”是长度计量单位,1纳米(nm)是1米的十亿分之一。形象地说，一根头发丝的直径大约是56万nm。它和地学上晶胞单位的关系是1nm=20。 所谓“纳米材料”是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10100个原子紧密排列在一起的尺度。科学界发现，当某种材料的尺寸变小，由量变可引起质变，变小到100nm时，其物理和化学的性质都将起到质的突变，产生了优越于传统材料的特殊性能；其层间结合较弱，易于解离，结构中存在纳米级通道，表面存在大量的断键、悬键。因此，该类矿物的比表面积大，活性高，具有优良的吸附、催化性能；而且它既可与有机材料复合，又可与无机材料复合，成为性能优越的材料。,一、从纳米材料与纳米科技说起(续),如今纳米科技被誉为整合人类4大科技( 纳米科技、生命科学、信息技术和认知科学) 的关键，得到各国政府、科技界和工业界的大力推动。2011 年Thomson Reuters (商务和专业智能信息提供商)评出的世界前100 位材料学家和化学家中，分别有78 位材料学家和60 位化学家将纳米科技列为主要研究方向。目前有79 种SCI 期刊被并入纳米科技范畴，其中名称含有“纳米”的期刊有47 种。,二、天然纳米矿物的发现、意义及与人工纳米材料的差异,纳米材料最初是人造的，常规的加工技术难以使材料变细达到纳米材料的细度，所以其加工成本十分高而难以广泛推广应用。由于地质学的研究特别关注最新仪器的利用，很快就发现了天然界就存在不少天然纳米矿物。例如，多数黏土类矿物、沸石、石墨、蛋白石、硅藻土等已不下20种；笔者曾检索并对比了近年天然纳米矿物沸石与膨润土(含纳米矿物蒙皂石)在著名科技文献库上的研究论文，发现其数量已超过铁矿床与铜矿床的研究论文数量(见下页表)。颇多学者认为，由于非金属纳米矿物的大量发现与利用，21世纪将是“人类的又一个新石器时代”。,二、天然纳米矿物的发现、意义及与人工纳米材料的差异 (续)说明天然纳米矿的研究已超过铁矿与铜矿,二、天然纳米矿物的发现、意义及与人工纳米材料的差异,(续)天然纳米矿物的特征及与人工纳米材料的差别 这些天然纳米矿物，有的就可直接利用其某些纳米结构特征，有的加工后可成为具有特殊功能的材料，例如,它们可通过特定的合成制备技术,与其它原材料经插层、聚合、组装、复合处理而制成的具有特殊物理化学性能的新材料。 但是，它们与人工纳米材料也有所差异：其一，往往含有各种非纳米矿物杂质，但是，这些杂质有的是有益的(如微肥元素杂质有利于配制缓释复混肥)，有的有害需加工提纯。其二，有些纳米矿物颗粒内还有纳米级的孔隙，更加强了其纳米材料的效应，如沸石不但颗粒细微，而且具有开放的晶格结构很多大小均一的孔穴和通道，孔穴之间通过开口的通道彼此相连，并与外界沟通。孔穴和通道的体积有时可占沸石晶体体积的50 以上。这种孔穴通道结构更增加了沸石的高吸附性、反应催化性等。其三，同一种矿物可以是纳米级，但也可能是亚微米级(1001000nm)，因此有些地质学者，常将其称为“天然纳米亚微米矿物”。,1.页岩废石(包括大部分煤矸石) 2.板岩、千枚岩废石 3.膨润土矿废石或沸石矿废石 4.某些钒钛铁矿尾矿 5.某些班岩型铜矿的尾矿 以上各项其堆存量至少在60亿吨以上,四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例,1.利用矿山废弃物中天然纳米矿物抑“氨”治“霾”： （1）治霾久攻不下是因为忘记了霾的元凶：我国霾的气象最初出现于十几年前， 2012年开始京、津、冀、鲁等地渐趋严重。2013年9月国务院颁发了大气污染防治行动计划；为了贯彻该计划，各地政府全力以赴，例如，据搜狐财经网报道，“河北省从2013年开始压减过剩产能，到2015年底，河北省已累计压减3391万吨炼铁、4106万吨炼钢产能。2016年，要压减1726万吨炼铁、1422万吨炼钢产。”但是，直到2015年底，京、津、冀、鲁的霾却未见减轻，乃至北京市12月8日到19日，前所未有地两次启动红色预警。北京2016年只要不刮风下雨，霾必来临。究竟是什么原因，治霾久攻不下？,诸位作何感想？是否想到原因何在？,（1）治霾久攻不下是因为忘记了霾的元凶(续)早在2013年就有3篇国外著名期刊论文认为中国的氨污染是导致产生霾的主要因素之一，下面两图是其中两篇文章拷贝。注意左文提到While most of the nitrogen still comes from waste fertilizer, 右文最后一行斯坦福大学原创,（1）治霾久攻不下是因为忘记了霾的元凶(续),记者孔令钰在访问了6位有关专家王跃思、杨复沫、彭应登、王书肖、刘学军、宋宇后，于2014年8月写出了被忽视的雾霾元凶的报道，专家们公认为“PM2.5指数被持续推高的重要密码氨气污染。” 笔者之一，也曾在2014年在 太湖春秋季刊(夏)上发表了相似观点的文章，并首次提出尽快发展配加天然纳米矿物的缓(控)释氮肥，用沸石膨润土或凹凸棒石垫圈等抑“氨”治“霾”的措施。,(2)为什么说我国氨气污染是霾的元凶：综合以上文献1216的论述，其根据如下：,中国的氮肥施用量冠全球：我国以不到全球耕地的9，每年却消耗约全球氮肥的1/3(还不包括禽畜粪便)，可见超施严重；这些超施氮肥集中于东部地区，而东部的京、津、冀、鲁地区由于土地多为碱性，氮肥更易挥发；而且较之珠三角与长三角，蔬菜大棚多，复种指数高，所以氮肥超施更严重；空气中氨污染最严重。朱兆良院士认为，在一定条件下，“氨挥发损失率可高达施氮质量的40%50%”。 重污染天气中，硫酸铵、硝酸铵的质量总和约占PM2.5的40%-60%：从实测中，燃烧源和汽车尾气源的排放物中并没有氨气，更没有铵盐(硫酸铵、硝酸铵)。而发生霾时PM2.5中的铵盐这样高，实际上是由燃烧源和汽车尾气源原始排放物(称为前驱物)的NOx、SO2、与农村原始排放物氨气三者在大气中，经复杂化学作用而成的二次粒子；没有氨就形成不了铵盐，也就形成不了大量的PM2.5，因而氨污染是元凶。 治霾不抓元凶犹如打击黑社会，只抓团伙不抓首恶。,1.利用矿山废弃物中天然纳米矿物抑“氨”治“霾” (3)天然纳米矿物可抑“氨”治“霾”,某些天然纳米矿物之所以能治霾是由于它们有暂时吸附氨的功能，使其不易挥发和淋失。例如，沸石、蒙皂石、伊利石等，前已述及它们都可以富含于矿山废弃物中。 虽然市场已有缓释肥料出售，但是这些缓释肥料是用有机聚合物包裹肥料而成，犹如药品中的缓释胶囊；由于其成本太高，只有高尔夫球场用的起。所幸的是可以利用天然纳米矿物配制缓释型肥料，而且国内外已有大量研究成果1823可为证明。,四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例 2.利用矿山废弃物中天然纳米矿物防治沙漠化,从上世纪末开始，有些国家开始另辟途径来解决水的问题，如比利时、以色列、南非和非洲北部等国家，开始使用高吸水保水材料于造林治沙已取得显著效果24；近年来，某些发达国家，基于采用高吸水保水材料的“绿色地球计划”或“治理沙漠计划”相继出台，实际效果十分显著。 所谓高吸水保水材料，小孩尿布尿不湿中所包含的材料就是其中之一；它是单纯树脂类保水剂，吸水率可高达4000g/g,但每吨价格在1.5 万元以上，用于防治沙漠化成本太高；而且吸水能力过大，反而对植物根系吸收有不利影响。近年来我国许多研究院所和高校，纷纷研究纳米矿物聚合物复合高吸水材料已取得可喜的实验室研究成果2430。 下页照片是沙漠建成的绿地。,有了高吸水保水剂沙漠也可搞种植,四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例 3.在防治耕地重金属和农药污染方面,对于这类污染，根据新华网2014年4月的报道：我国“耕地土壤点位超标率为19.4，主要污染物为镉、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。”显然，这类污染将通过食物链严重影响到人体健康；同时它又是最难清除的污染。幸好随着天然纳米矿物(如沸石以及粘土矿物蒙皂石、伊利石等)的发现，找到了使其“钝化”的办法(即让污染物固化于矿物中而不被农作物所吸收的办法)。其主要机理是天然纳米矿物对于污染物有很强的吸附功能；有的纳米矿物改性后吸附能力更强，乃至可降解某些农药，如含钛沸石可降解敌敌畏。,四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例 4.在建设海绵城市39中的应用 ：,为屋顶绿化提供无土栽培材料是海绵城市主要措施之一：屋顶绿化就是在屋顶上种植观赏植物乃至果蔬(见图1)。屋顶绿化最早在德国兴起35，其低建造成本和低维护费用模式使之在德国屋顶绿化的大面积推广中发挥了关键性的作用; 其显著的生态效益更使之得到整个社会的普遍认同并得到迅速发展。由于老房子建造年代久远，屋顶承重能力较低，以及一些斜面屋顶的存在，让设计师在进行老房子的屋顶改造工程时倾向于选择轻型屋顶绿化；如今德国80的屋顶绿化都是轻型屋顶绿化。大多数的轻型屋顶绿化(约6065)就是由老房屋改造重修的。所谓“轻型屋顶绿化”也就是在屋顶上不是用土壤作为种植的基质，而是采用陶粒(如配加锯末或泥炭效果更好)、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等轻质材料作为种植的基质。屋顶绿化还可进一步发展为房子外墙的垂直绿化(如图2)，即在每层房子晒台上进行种植。 据美国波特兰大学“无限绿色屋顶小组”对占地723英亩的波特兰商业区进行分析，将219英亩的屋顶空间即三分之一的商业区修建成绿色屋顶，就可以截留60的降雨，每年将保持约6700加仑的雨水36,海绵城市的屋顶及晒台无土种植都需要陶粒等作为基质；海绵城市的广场透水砖也需要高强陶粒作为骨料,四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例 5.在墙体材料隔热节能中的作用：,每年冬季取暖，夏季降温都要消耗大量能量。因此，在墙体上利用隔热材料是节能的重要措施。过去对于墙体外保温性能较好的材料一般都认为是有机材料,如聚氨醋、聚苯板等,但因不防火、耐候性差不能与建筑物同寿命等缺陷,给建筑物带来很大的安全隐患和灾难,如2009年2月9日央视大火。故外墙有机保温材料已被国家公安部消防局规定禁用。经过近几年有关部门的大力研究40-45，已证明采用以超轻高强陶粒及陶砂为骨料的各种混凝体构件是很好的隔热节能构件。已有试验证明好的这种构件可隔热50以上；这意味着冬天可节省燃料，既节能又减少燃烧源污染，夏天也可节省空调用电，同样可既节能又减少燃烧源污染；这两项又有助于减少霾的污染源。,四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例5.在墙体材料隔热节能中的作用： 下表说明(a)陶粒为骨料的混凝土砖厚度小却隔热效果好于其它,四、将富含天然纳米-亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程举例 6.沸石和膨润土高附加值的几个环保小用途： 膨润土矿废石或沸石矿废石，如果兼含沸石与蒙皂石两种天然纳米矿物，由于沸石吸臭能力强，而蒙皂石吸水能力强；两者结合最适于：用做猫砂(即宠物垫圈除臭吸湿的物料)；用做冰箱的除臭吸湿剂；用作除臭吸湿鞋垫；用作水果保鲜剂；降毒卷烟等。,PPT模板下载：/moban/ 行业PPT模板：/hangye/ 节日PPT模板：/jieri/ PPT素材下载：/sucai/ PPT背景图片：/beijing/ PPT图表下载：/tubiao/ 优秀PPT下载：/xiazai/ PPT