非金属矿物环境材料

1、 环境现状与材料 非金属矿物环境材料的定义 非金属矿物环境材料的基本特性（表面效 应、过滤作用与孔道效应、结构效应、离 子交换作用、结晶效应、溶解效应、水合 效应、矿物物理效应作用） 非金属矿物环境材料的应用实例（工业废 气治理、燃煤污染治理、城市空气治理、 室内空气污染治理） 众所周知,当今社会发展面临着人口膨胀、资 源短缺、环境恶化等三大问题。随着经济的不 断发展和人类需求的增加，人们过度的开发利 用自然资源，并对环境造成了一定的污染，所 以环境保护和污染防治已经成为当务之急。 材料是经济与社会发展的基础与先导,更是现 代化高新科技发展的三大支柱之一。无论哪个 方面都离不开大量的、各种类型

2、的材料消耗, 而传统的材料产业,从材料的提取、制备、生 产、使用直到废弃,整个过程是一个资源消耗 和环境污染的过程。 也就是说,材料一方面推动着物质文明,另一 方面又耗费了大量的能源和资源,并在生产、 使用和废弃过程中排放大量的废气、废液 和工业垃圾,污染了环境,恶化了人类赖以生 存的空间 环境矿物材料：由矿物及其改性产物组成 的与生态环境具有良好协调性或直接具有 防治污染和修复环境功能的一类矿物材料。 非金属矿物是一类环保型材料，其有以下基本特点，如： 表面吸附性好、离子交换性强、孔道过滤作用也十分显著 等。 非金属矿物是天然的无机矿产，能够与天然环境很好的共 生和协调，同时又能治理污染并恢

3、复环境；在非金属矿物 的应用中，绝大部分矿物能循环利用，不但治污成本低， 而且不产生二次污染；非金属矿物应用范围广，不仅能处 理“ 三废”，还能很好的适用于高科技发展产生的新污 染；非金属矿具有天然的自我净化功能，能解决一般性环 保技术不能解决的非点源区域性污染问题。 因此，对非金属矿物的研究与开发有着非常重要的意义， 能够产生明显的社会效益 非金属矿物环境材料的基本特性 自然界中矿物表面通常是矿物与大气、矿物与液体、 甚至是两种固体矿物之间的界面。极性表面具有很 强的吸附性，矿物晶体碎裂面和生长面的极性强度 一般高于解理面。矿物表面吸附作用与矿物表面性 质密切相关，一个整体物相的化学性质或反

4、应性取 决于其化学组成与原子结构，同样一个表面的化学 性质取决于化学成分、原子结构和微形貌，化学反 应往往发生在表面上几个纳米厚度的范围内。有利 于化学吸附的条件是由表面吸附质成键作用的增强 和表面内与被吸附分子中成键作用的减弱之间的平 衡来决定的，吸附质诱导的表面重构和解离化学吸 附只是这种微妙平衡所固有的两个极端情况，其中 吸附质与表面之间的强相互作用支配着转变过程。 表面效应 矿物孔道效应包括孔道分子筛、离子筛效应 与孔道内离子交换效应等。过去认识到的具 有孔道结构并具有良好过滤性的矿物有沸石、 粘土、硅藻土、轻质蛋白石等，新近发现磷 灰石、电气石、硅胶等均具有良好的孔道性 质，蛇纹石、

5、埃洛石管状结构以及蛭石膨胀 孔隙等也表现出优良的孔道性能而备受关注。 多数矿物均具有孔道结构特征，如常见的长 石类矿物也具有良好的孔道结构，其孔径大 小至少能使h2o得以进入和通过。 过滤作用与孔道效应 通常矿物表面的原子结构及电子特性有可能和 其内部的有很大差异。暴露的矿物表面要进行 重构，即表面的不饱和状态会促使其结构进行 某些自发的调整。当有被吸附的分子存在时， 表面又会以不同的方式在结构上进行重新调整， 不同的晶体表面上重构程度也是不同的。一个 常被忽略的问题是在矿物表面上吸着物所具有 的结构影响。通常与吸着物最近的基底表面上 的原子，为了更好吻合吸着物结构会发生空间 位移。这种情况往

6、往发生在吸着物与表面之间 具有强的交互作用，也就是吸着物与表面具有 强的化学活性并有强键形成。 结构效应 无机非金属矿物具有良好的离子交换作用，主要发生在矿物表面上、 孔道内与层间域。如碳酸盐和磷灰石等离子晶格矿物表面、沸石和锰 钾矿等矿物孔道内及大多数粘土矿物的层间域。方解石和文石均是 caco3的天然变体，其表面上的ca2+、pb2+、mn2+、cd2+等阳 离子发生交换作用。其中pb2+与方解石、文石的反应很强，而 mn2+和cd2+仅与文石的反应很强，与方解石不发生反应，它们被 固定在碳酸盐表面上的形式分别是碳酸铅、碳酸锰和碳酸镉。磷灰石 可在常温常压下用其表面晶格中的ca2+与溶液中

7、阳离子pb2+、 cd2+、hg2+、zn2+、mn2+广泛发生交换作用，易于除去溶液中 的pb2+。碳酸钙和磷灰石对重金属污染物的去除作用主要为表面晶 格离子的阳离子交换作用。天然沸石对一些阳离子有较高的离子交换 选择性，水合离子半径小的离子容易进入沸石格架进行离子交换，交 换能力就强。粘土矿物在溶液中的分散程度影响到离子交换的动力学 性质，分散性又与类质同象程度密切相关。如蒙脱石八面体层中发生 的类质同象，可增强结构单元层之间的联系程度而不易分散。但将蒙 脱石浸入电解质溶液中被改性后，如钙基蒙脱石处理成钠基蒙脱石， 其层间结合力变小而易分散、膨胀与亲水，使得阳离子易于扩散进入 层间域，从而

8、大大提高离子交换速率。 离子交换作用 矿物形成过程尤其是溶液结晶过程，往往 可成为污染净化过程。在金属矿山废石堆 中形成的含hg、cr矿物hg4hgcro6和 hg2hg3cro5s2，对防止重金属污染可 起到固定化作用。 结晶效应 溶解作用包括溶质分子与离子的离散和溶剂分子与 溶质分子间产生新的结合或络合。“相似者相溶” 这一经验理论说明，物质结构越相似越容易相溶。 严格地说绝对不溶解的“不溶物”是不存在的。组 成“难溶物”的阴离子与阳离子浓度由于受某种化 学反应的影响而降低时，如硫化物矿物氧化还原反 应及氢氧化物矿物溶度积更小的沉淀反应等，该 “难溶物”就会不断发生溶解。就矿物本身而言，

9、不同网面密度的晶面发生溶解时网面密度较大的晶 面先溶解，此与晶体生长过程恰恰相反。矿物晶体 缺陷处易于溶解，因为位错中心释放能量而发生破 键溶解。矿物处于不饱和溶液中边缘处也会发生溶 解。 溶解效应 水合作用往往伴随着矿物体积增大，如硬石膏 发生水合作用形成石膏后体积可膨胀30%，蒙 脱石等粘土矿物遇水膨胀对工程地基具有不可 忽视的影响。其中结晶水常以中性水分子出现 于具有大半径络阴离子的含氧盐矿物中，有时 以一定的配位形式围绕着半径较小的阳离子， 形成半径较大的水合阳离子，在矿物晶格中也 具有固定位置，其数量与矿物成分成简单比例。 含水矿物在调节环境水分功能方面，不亚于植 物所起的作用，是自

10、然界中最佳的无机控湿调 温物质。 水合效应 矿物物理效应包括矿物光学、力学、热学、 磁学、电学、半导体等性质，如方解石的 热不稳定性的固硫效应、堇青石热稳定性 可用来制作多孔陶瓷的除尘效应、天然蛭 石的热膨胀性可改善煤燃烧过程中氧化气 氛以防止硫酸钙分解而提高固硫率的效应、 磁铁矿的磁性与电气石的电性的除杂效应， 尤其是金红石的半导体性，其光催化氧化 性可分解有机污染物。 矿物物理效应作用 工业废气是我国大气污染的主要来源，据资料介绍，我国 目前每生产1t水泥熟料要排放1tco2、0.74kgso2、 130kg粉尘；每生产1t石灰排放1.18tco2。美国联合 碳化物公司用人工合成沸石回收s

11、o2，含量由 3500l/l下降至1525l/l，回收率达98% 99%，酸雾下降至3.53mg/m3。我国杭州硫酸厂排放 的尾气中含so20.2%0.5%，so3 0.0014% 0.0035%，硫酸雾0.030.1g/m3，用改型缙云沸石 吸附处理后，so2仅含20100l/l，吸附的so2解 吸后，可回收重新使用。 非金属矿物环境材料在空气污染方面的应用 我国大气污染的显著特征就是煤烟型。煤炭燃烧释放出烟气、 粉尘、so2、co、co2等一次污染物以及产生硫酸、硫酸盐 类等二次污染物。造成酸雨污染，严重污染环境。治理燃煤污 染，使用的固硫剂是一些含钙、镁、铝、铁、硅和钠的物相， 由于在高

12、温下形成的硫酸盐易分解，降低了固硫率。可以通过 研究某些高温下形成疏松孔道结构的环境矿物材料作为固硫添 加剂，营造燃煤内部氧化气氛，有效地阻止硫酸盐分解。膨润 土在高温下失去层间水，形成疏松孔道结构，吸附硫化反应产 物硫酸盐，同时激活自身层间固硫离子如钙、镁等，有利于促 进固硫反应。研究表明，蛭石尾矿具有良好的固硫效果，其固 硫活性因燃烧温度而异，在950和1050时，膨胀性能好、 活性强。蛭石尾砂在型煤燃烧过程中膨胀产生的疏松结构，不 仅能提高燃煤固硫效率，还能为煤中碳质成分的充分燃烧创造 条件，降低煤炭因不完全燃烧而形成的碳质飞灰，明显减少烟 尘污染。 非金属矿物环境材料在空气污染方面的应

13、用 城市空气污染主要来源于汽车尾气的排放，其中包括nox、金 属排放物(如pb等)的排放，随着现代大中城市之无铅汽油的使 用，由汽车排放的铅金属阳离子的危害大为减少，同时三元催 化油的使用使得汽油燃烧的nox排放量显著减少。以青石为主 体的三元催化剂载体得到了广泛的应用。青石为环状结构含铝 硅酸盐，其四面体中存在着alo4对sio4的置换以及配位 多面体中金属阳离子的类质同象置换，活性强，同时具有极好 的高温热稳定性。利用低白度滑石研制出新型多微孔陶瓷专用 微细粉，对尾气净化率达到98%以上，并且使用效果不会随时 间下降。这为根治汽车尾气的工作找到了一种良好的方法。由 于汽车排放气体有害成分主

14、要为nox，国外近来利用高温热稳 定性好同时吸附能力强的海泡石制作高效汽车尾气净化器，国 外用粘土矿物制成汽车排气管、过滤器，主要是充分利用粘土 矿物的吸附性。用粘土矿物代替活性炭还可降低卷烟中含有的 焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害。 非金属矿物环境材料在空气污染方面的应用 随着家庭装饰装修材料中人工合成高分子材料使用的增多， 不仅引起了短时间的空气污染，同时带来长久的潜在隐患。 短期的空气污染主要表现在甲醛、氨等早期释放强浓度的 危害。甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质， 是公认的变态反应源，也是潜在的强致突变物之一。当空 气中含量达到30mg/m3时，可导致人当即死亡。氨是 冬季混凝土施工外加剂的释放物。国家规定居住区的安全 氨浓度为小于0.2mg/m3。氨浓度过高时，除皮肤腐蚀 作用外，还可通过三叉神经末梢的反射作用引起心脏停搏 和呼吸停止。氨以气体形式吸入人肺后，容易通过肺细胞 进入血液与血红蛋白结合，破坏运氧功能。 非金属矿物环境材料在空气污染方面的应用 对于上述的有害物质，以沸石、坡缕石、海泡石、膨润土、 累托石等粘土矿物为载体的载银无机抗菌剂可以起到良好 的作用效果。中国矿业大学(北京)研发的硅藻精土/纳米 二氧化钛复合型室内空气污染治理材料，以平均孔径几十 纳米、分布规则的天然硅藻土为载体负载适量的光催化组 分纳米二氧化钛；由于硅藻土颗粒的天然纳米孔