我国非金属矿开发的现状及今后发展方向的建议(以沸石和膨润土为例

1、.我国非金属矿开发的现状及今后发展方向的建议-以沸石和膨润土为例北京科技大学 陈希廉 发表于2009年一、概述众所周知，非金属矿产资源系指那些除燃料矿产、金属矿产外，在当前技术经济条件下，可供工业提取非金属化学元素、化合物或可直接利用的岩石与矿物。1世界非金属矿发展概况世界上已利用的非金属矿产资源约250余种，年开采非金属矿产资源量在250亿吨以上。非金属矿物原料年总产值已达2000亿美元，大大超过金属矿总产值。在地壳上金属矿的储量较之非金属矿少得多，随着科技的发展，科学家们发现非金属矿通过深加工，可以具备有许多特殊的性能，乃至有些用非金属矿生产的无机物与高分子材料相结合的复合材料，可代替某些

2、金属产品；有些非金属矿的深加工产品，还可具有已有其它材料所不具备的特殊功能。非金属矿产资源的开发利用水平已成为衡量一个国家经济综合发展水平的重要标志之一。因此，有些学者认为21世纪乃是又一个新石器时代。也有些学者认为，金属材料工业已是夕阳工业，而相反，非金属材料则是朝阳工业。从世界上非金属矿利用的历史来看，不仅不能利用的非金属矿物不断发展成为可利用的矿石，例如，上世纪50年代硅灰石和透辉石还是无用的矿物，而后来却成为很好的陶瓷原料，透辉石还成为钢铁工业保温帽和保护渣的原料；又如，被采、选矿人士所讨厌的绿泥石，现在已成为可利用的矿石；而且已开发的非金属矿其所可制造的产品发展更快，其中发展最快的是

3、天然纳米矿物。由于非金属矿品种很多，在一篇短文中不可能一一介绍，故只拟以天然纳米矿物中的沸石和膨润土为例略加说明，因为我国的这两种矿产资源具有很大的储量和质量上的优势。从国外科技资料文献库所发表的论文数量，也可看出这两种矿产资源的发展趋势。就笔者从世界上著名的科技文献数据库Elsevier SDOL电子期刊全文库检索结果来看，以沸石矿和膨润土为关键词的科技文献，与以铁矿床及铜矿床为检索词的科技文献的数量对比如下(截至2009年1月8日的检索结果)：有关沸石矿的文献：59,238 articles found for: ALL(zeolite)有关膨润土的文献：15,218 articles f

4、ound for: ALL(bentonite)有关铁矿床的文献：14,756 articles found for: ALL(Iron ore deposit)有关铜矿床的文献：10,496 articles found for: ALL(copper ore deposit)在检索上述数据的15天后，截至2009年1月23日的检索结果：59,427 articles found for: ALL(zeolite)(15天增加189篇，每天增加12.6篇)15,300 articles found for: ALL(bentonite)( 15天增加82篇，每天增加5.47篇)14,808

5、articles found for:ALL(Iron ore deposit) (15天增加52篇,每天增加3.47篇)10,546 articles found for: ALL(copper ore deposit) ( 15天增加50篇，每天增加3.33篇)由以上对比中，可看出对于沸石和膨润土，其科技文献数量都已超过人类最常用的铁或铜的矿床的科技文献数，而且每天文献数量增加很快；更值得注意的是，这些文献中有1/3以上是它们在环保应用方面的研究成果。2我国非金属矿发展的现状反观我国的非金属矿情况，可以说是喜忧参半：(1)可喜的方面：资源品种齐全，储量丰富：中国是世界上已知非金属矿产资源品

6、种比较齐全、资源比较丰富、质量比较优良的少数国家之一。迄今，中国已发现非金属矿产品102种。据我国非金属矿协会理事长张湛教授的介绍：“我国的非金属矿储量丰富，其中石墨石膏，菱镁矿，重晶石，膨润土居世界首位；萤石、滑石、硅灰石、温石棉、芒硝居世界第2位。尽管91个非金属矿种年开采加工总值不足千亿元，仅占国民生产总值的0.5，但是与非金属矿产有着直接关联的产业GDP值却占到了国民总产值的67”。据笔者所知，还有些过去不被重视的非金属矿如沸石、凹凸棒石等资源，我国的储量也很可观。例如，据化工矿物与加工2004年03期刊载的天然沸石(岩)深加工问题探讨一文提到“我国是世界上天然沸石储量丰富的国家之一，

7、据全国400余处矿产地(含矿床和主要矿点)统计，属于大中型的有31处，保有储量达27.8亿，资源总量超过100亿t，居世界前三位。”，而2004年以后沸石的探明储量又有很大的增加；又如，据中国钢铁平台网站报道：“甘肃已探明凹凸棒石黏土储量世界第一”。某些非金属矿产品的产量居世界之冠：我国非金属矿产品与制品如水泥、萤石、重晶石、滑石、菱镁矿、石墨等的产量多年来居世界之冠。中国非金属矿产资源及相关工业在世界经济中占有举足轻重的地位。但是，看看我国对非金属矿的加工利用现状，却令人失望。我国非金属矿现状的特点是： 有关人们对于非金属矿的概念仍然停留于传统的概念：目前绝大多数矿业投资者对于非金属矿都是不

8、屑一顾，认为投资于非金属矿只能生产低附加值产品，没有搞头；乃至一些采矿、选矿专业工作者也不例外；导致我国非金属矿的开发利用远远落后于金属矿。 开采量不少而深加工高附加值的产品甚少：例如，膨润土主要还是粗加工用做球团矿或铸模粘结剂及钻探泥浆，乃至以原矿低价销售给外资公司；沸石主要还是用做水泥混合材料、混凝土添加剂和禽畜饲料，而两者的深加工产品却很少。实际上，即使并非天然纳米矿物，其深加工产品的附加值也很可观，例如石灰石的粗加工产品石灰每吨售价仅百多元，而其深加工产品乳化钙其售价每吨高达8000元。深加工的实验室研究已起步而已产业化投入生产的甚少：例如，我国至少有4个研究单位或高校开发的膨润土高吸

9、水含水材料已成功，但是还没有一家的研究成果已投产。又如，不只一个单位的实验室已试验成功利用沸石以制造控释多元肥料，但是我国市场上出售的控释肥料，还都是有机物包膜控释肥料，后者因售价太高，一般农民还用不起。许多非金属矿处于低出高进状态：即低价出口原矿石或粗加工产品，高价进口深加工高附加值产品。由下面某些非金属矿的进出口每吨均价对比图可以说明问题：矿山开发排放的大量废弃物中的非金属矿更没有加以利用：据李章大教授的统计，我国矿山尾矿得到利用的不到10，而其中都是有利用可能的非金属矿资源。3非金属矿物的深加工所包括的内容有些非金属矿的粗加工只是进行破碎和粉磨等处理，有些则进一步进行初步选矿或焙烧；而深

10、加工的工艺就可能涉及更多方面，例如包括：精选提纯；超细粉碎；表面改性；)功能化或化学加工等。经过深加工的处理，非金属矿可大大提高其性能而应用于更多的领域，同时取得很高的附加值。二、沸石和膨润土的主要组成蒙脱石简介1 沸石与蒙脱石特点的对比为了简明起见，笔者综合各种资料18对比两者特点如下：特点沸石蒙脱石(膨润土中的主要矿物)矿物的晶体化学分类架状含水硅铝酸盐层状含水硅铝酸盐一般化学结构式AmBpO2p.nH2ONax(H2O)4(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2化学结构式注解A为Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子，m为阳离子数；B为Al、Si，p为其离子数；n为水分子数。由于类质同像的

11、广泛存在，使得蒙脱石族矿物的成份非常复杂品种已知80多种，尚有大量人工合成的沸石一百多种已知10多种，未见有人工蒙脱石，相反有用其生产人工沸石者晶胞参数不同品种沸石不同，但多属纳米级a0=0.517nm，b0=0.894，c0=1.52nm改性有大量不同改性工艺，不同改性沸石具有不同性能有大量不同改性工艺，不同改性膨润土具有不同性能吸附性能强，吸附机理与蒙脱石不同强，但吸附机理与沸石不同 由吸附性衍生的特殊性能很强的吸臭性能很强的吸水膨胀性，能吸附815倍于本身体积的水天然分子筛性能具备，还可人工合成具有特殊性能分子筛；最新用途是海水提钾不具备热泵性能具备，可用作太阳能既制冷又制热的工质对不具

12、备粘结性弱很强溶胶式悬浮性弱很强可塑性弱很强离子交换性很强很强触变性(搅拌时稀，静置变稠的性能)无具备，故适于用作钻探的泥浆化学稳定性至少部分沸石耐酸性强耐酸、耐碱、耐氧化剂、耐还原剂性能强催化性是有效的催化剂和催化剂载体是环境友好的催化剂，特别是改性者脱色性能经过改性的沸石对于印染废水的脱色率可高于90经过活化的膨润土具有较强的脱色功能抗菌性深加工后具备深加工后具备由上表可见，两者有许多共同特点，但也不是完全相同。特别是值得重视的是，两者有些功能还有互补作用，例如，沸石的分子筛功能与膨润土的吸水功能相结合，可广泛用做果蔬保鲜剂、冰箱除臭吸湿剂以及猫砂等领域。2 沸石与膨润土在用途方面的对比8

13、25样为了简明起见，列表对比其各种用途如下：环保用途沸石膨润土备注制造控释肥料好原料好原料有助于防治水体富营养化制造高吸水含水材料可提高土壤含水率好原料有助于防治沙漠化去除水体中氨氮污染效果好可以有助于防治水体富营养化吸附或降解农药可以可以改性后更强，乃至可降解某些农药，如含钛沸石可降解敌敌畏杀灭某些藻类有杀灭某些藻类报道可杀灭赤潮藻类膨润土已大规模应用于治理赤潮制造BAF滤料可以可以加工工艺略不同核废料等防辐射可以可以深加工后效果更佳某些气体净化可以可以改性后效果更佳，沸石更适用于卷烟去毒含氟污水的处理可以可以改性后效果更佳处理染料等有机物可以可以改性后效果更佳处理重金属污染可以可以改性后效

14、果更佳防渗材料未见报道好原料如用于垃圾场防渗等场合土壤改良适于因化肥板结适于沙质土壤同时有吸附农药功能潜流湿地材料用作去污填料用作湿地隔水层膨润土也在试验用作填料其它用途沸石膨润土备注非传统矿物肥料可以可以同时有吸附农药功能禽畜鱼饲料可以可以要求有害物质不得超标水产养殖清洁剂可以可以要求有害物质不得超标催化裂化剂可以可以需要深加工粘结剂不行好原料用做球团矿及铸模黏结剂钻探泥浆不行好原料膨润土最早最大用途之一涂料不行好原料膨润土最早的用途之一药品用于皮肤病、外伤及肠胃病等唐朝已用作药材。现用于腹泻、溃疡、肠胃病等均可制多种药品分子筛少见的天然具有分子筛功能矿物不具备分子筛广泛用于化工、电子、石油

15、化工、海水提钾、制氧等工业太阳能制冷并制热与水一起用做工质对7不具备沸石与水为工质对的双向空调适用于粮库或果蔬库恒温保鲜保鲜剂可以可以两者配合效果最佳除臭去湿剂除臭效果好去湿效果好两者配合效果最佳，适用做冰箱、鞋垫及猫砂等除臭去湿剂抗菌材料有银型、铜型等多种未见报道不同深加工产品的沸石抗菌材料，功能不同由上表可见，两者有许多共同用途，但是也有一些不同的用途；两者如配合制造某些产品，其性能更好。三、介绍沸石和膨润土具有最大意义的几个用途为了证明非金属矿具有重大的开发利用价值，下面仅以沸石和膨润土的几个用途为例加以说明：1 利用沸石或膨润土制造缓(控)释肥料以控制水体面源污染水体之被污染，可分为点

16、源污染(工矿和城镇的水污染)和面源污染(农田施肥所造成的污染)两类。由于点源污染容易通过污水处理厂加以治理，而水体的富营养化主要是由于面源污染中的化肥污染所造成的，所以要预防水体的富营养化，治本的办法是尽量减少化肥淋失到水体中去，而直接治理富营养化所造成的赤潮或蓝藻爆发，是直接杀灭藻类。而这两方面沸石和膨润土都可以起到很大作用。农田直接施用化肥，往往有较大比例的化肥淋失或挥发，被淋失的化肥可进入地下水并进一步进入江、河、湖、海等水体，或者挥发到大气。缓(控)释肥(slow/controlled release fertilizer)可以控制、减少化肥的淋失或挥发。我国肥料平均利用率氮肥为35，

17、磷肥为15，钾肥为40，远低于发达国家8。这不仅造成浪费，而且在农田系统中损失的养分引起水体富营养化和大气温室效应(N2O、CH4、CO2)。因此，发展并广泛应用缓(控)释肥料以有效地提高肥料利用率，已成为我国发展现代农业的急迫任务。目前国内外所销售和使用的缓(控)释肥料多数是用包膜法生产的缓(控)释肥料9。由于包膜的原材料及加工成本较高，所以多用于高档农作物；美国和欧洲，约占总量的90缓(控)释肥料是用于高尔夫球场、苗圃、专业草坪和景观园艺，仅有10用于果蔬生产，难以广泛用于一般农作物10。但是，随着科技的发展，发现沸石和膨润土都是制造缓控释肥料的低成本好原料。利用沸石或膨润土可生产多元缓(

18、控)释复合肥兼土壤改良剂，这种复合肥具有一般肥料所不具有的优点，既可避免因肥料淋失造成的肥料浪费，更可改造土壤并具有巨大的肥效，因而已成为发展现代化农业的必不可少措施之一。更重要的是这种肥料是解决环境面源污染治本之道。对于缓(控)释肥料，2006年2月，国务院颁布的国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)明确提出要“重点研究开发环保型肥料、专用复(混)型缓释、控释肥料及施肥技术”；2006年10月科技部颁布的“十一五”国家科技支撑计划都把控释肥列入其中；特别是2007年中央一号文件再次指出要推广应用控释肥，提高肥料利用率，加快现代农业发展。但这些文件都没有提到如何解决这类肥料价

19、格太高的问题。在沸石与膨润土两种矿产中，沸石更有利于生产控释肥料 1121，但膨润土并非不能用于控释肥料22。本文拟重点介绍沸石的应用。日本利用沸石作为土壤改良剂和肥料已有100多年的历史。沸石对于农田有如下好处：天然沸石可解决土壤板结问题。天然沸石除能提高土壤供氮、钾能力，还可降低碱化水稻土淋溶水中钠、氯、碳酸氢根的离子含量，改善了植物营养环境，使得天然沸石具有降低盐碱危害的突出作用。天然沸石可提高土壤的保水能力。天然沸石可降解或吸收土壤中的农药，使其难以污染农作物,以免危害食用者。含二氧化钛沸石还可降解某些农药如敌敌畏。天然沸石能明显抑制土壤中真菌等有害细菌的繁殖，减少真菌数量90以上。对

20、土壤中细菌和放线菌也有一定的抑制作用。沸石在抑制真菌繁殖的同时并不影响土壤的酶活性，反而对几种酶活性有促进作用。天然沸石可调节土壤的温度，当温度特别高时，它可吸热；而当温度特别低时，它却可放热。这种性能对于大棚种植果蔬是很有利的。以上都说明了沸石本身对农作物就有许多好处；而将其加工成为控释肥料后，不仅仍然保全了原来的性能，又可使氮肥缓释，对于钙镁磷肥等难溶磷肥却有促释作用。特别是利用沸石制造控释肥料可以采用非包膜工艺8，更可大大降低其生产成本。2利用深加工膨润土直接杀灭形成赤潮的藻类在这方面，利用深加工黏土(clay)来杀灭藻类的报道很多2631；粘土可大量出现于某些尾矿中，所以这就为利用这些

21、尾矿提供了很好的用途；但是，深入阅读外文文献内容后，又发现大部分所谓“clay”是指膨润土或蒙脱石，而且在日本、韩国和美国都有成功应用于治理赤潮的实例。下表是文献26所介绍的利用粘土控制赤潮的研究，由该表可见膨润土(bentonite) 应用最多。膨润土所含矿物主要为蒙脱石(montmorillonite),据文献27的介绍，南韩所采用的yellow loess,其主要成分也是蒙脱石。所以在粘土类矿物中，可能蒙脱石是最好的选择。必须指出的是，我国对于利用膨润土治理赤潮还处于研究阶段2829，而韩国、日本和美国已在海上实施，下列的照片即韩国和美国在海上喷洒经活化处理的膨润土或含蒙脱石粘土的情况。

22、左图及中图是韩国照片，右图是美国照片。关于为什么膨润土可治理赤潮，多数学者都认为不仅与其对富营养物质的强吸附能力有关(使藻类少了食粮)，而且更由于其絮凝作用。至于沸石对赤潮的治理，笔者未见到国外文献，但是国内已开始用于海水网箱养殖地区的赤潮治理32。例如，文献32中提到：“要防治赤潮发生的危害, 仅靠在赤潮发生时使用化学药剂来杀灭赤潮生物的效果是微乎其微的, 而且也十分被动, 往往在杀灭赤潮生物的同时也污染了水质,对养殖生物造成严重的影响,有时甚至得不偿失”；“我们利用天然沸石粉和杀灭赤潮的药物配合使用，同时起到控制赤潮生物和改善水质的双重作用”；乃至有的海洋与渔业局在关于切实做好赤潮防范工作

23、的通知中，已将抛洒沸石粉作为主要防治措施之一。3 利用沸石或膨润土治理蓝藻爆发尚未见有大规模施用以治理蓝藻的报道，但是已有在公园小湖里小范围施用而取得效果的简要报道；也有个别滨海地区在赤潮发生时利用沸石以保护海水养殖场的报道，看来这是今后值得进一步研究的课题。4利用膨润土制造高吸水保水材料或农林含水剂以防治沙漠化“沙漠化”可能是我国最大的环保问题。虽然在有些地区采取植树造林、退耕还林等措施，对于防治沙漠化已取得一定效果，但是沙漠的面积仍然在扩大。从世界上看，比利时、以色列、南非和非洲北部国家，在几年前就已经开始使用高吸水保水材料于造林治沙取得显著效果8；近年来，某些发达国家，基于采用高吸水保水

24、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。此外，这类材料还可以用于阻止森林火灾的蔓延。我国现在已有四个科研单位或高校研究利用膨润土制造高含水吸水材料，在实验室试验研究中都已获得成功，但是现在还都没有投产。如果能利用膨润土生产这种材料，其成本可大大低于有机化工原料的产品，那么防治沙漠化的理想或许将可能更快实现。上面笔者之所以不胜其烦地强调沸石和膨润土的重大作用，目的是为了以其为例，引起人们对非金属矿利用的重视。四、对于今后发展非金属矿开发的建议1 有关领导部门应提高对开发非金属矿的认识并给予政策上的支持就目前情况来看，有关领导部门似乎主要关注的是能源和金属矿的开发问题，

25、对于非金属矿的开发利用似乎还未引起足够的重视。一些资金较雄厚的矿业公司对于非金属矿也不愿意投入资金进行深加工的开发。今后应大力宣传发展非金属矿深加工开发的意义，以引起有关部门的充分重视，首先是提高有关领导部门的认识。2 有关政府部门应从政策上给予非金属矿深加工以支持目前对于金属矿、能源矿产与非金属矿的政策似乎很“公平”，例如2009年开始，将金属矿和非金属矿的增值税一律由13恢复到17，而没有考虑到大部分非金属矿的企业经济效益远低于金属矿产和能源矿产行业。要发展非金属矿的关键之一在于进行矿石高附加值的深加工，而要进行深加工,必然要投入较多资金，对于多数非金属矿山来说，哪能有资金用于这方面！因此

26、，笔者认为，对于发展非金属矿的深加工，政府应像支持发展可再生能源那样，给予种种政策优惠予以支持。3 由地方政府出面对小型非金属矿山进行集约化整合非金属矿山之所以小型矿山多，是由于许多矿床易于露天开采；有的地方甚至一个矿床有几家乃至十几家个体户在开发；但是由于开采规模小，既没有技术人员，更无法进行深加工。在此条件下，是否可由地方政府出面，在小矿山较集中地区先采取联营等方式，进行集约化经营，然后再加强技术力量，进行部分矿石的深加工，让小矿主尝到规模化生产的甜头后，再逐步向股份制大、中型矿山过渡。从山东寿光县蔬菜生产和某些奶品公司生产的集约化经营，说明集约化经营的途径是很有效的。3 对于具有重大环保

27、价值的非金属矿利用途径由国家投资进行例如，前述将某些非金属矿加工成高吸水含水材料以防治沙漠化，利用活化的沸石和膨润土治理赤潮或蓝藻的项目，这些大项目虽然社会效益及长远经济效益巨大，但是投资太大，又不可能立竿见影地取得经济效益，显然不可能利用市场经济办法，由民营企业或股份公司来进行。4 将有巨大意义的非金属矿深加工技术的研究列入攻关计划现在对于防治沙漠化的研究，在有关领导部门的支持下已建立了一些试点或示范区，但是对于赤潮和蓝藻的治理，至少笔者未见有攻关计划的报道；反而是美国的雅诗兰黛旗下的化妆品公司，于2009年6月8日“世界海洋日”宣布出资资助上海交通大学开展对赤潮的研究。此外，前已提及“20

28、07年中央一号文件再次指出要推广应用控释肥”，但是由于利用包膜法生产的控释肥价格太高，农民难以接受，为此应赶快研究价格较低的用沸石或膨润土等生产的非包膜控释肥料；其实我国早已有单位进行这种肥料的实验室研究，缺乏的是大面积的试验和产业化的生产。5 地质工作者应成为非金属矿多用途深加工的开拓者由于地质工作者最了解各种非金属矿的特点和性质，所以无论要进行集约化生产的协调，抑或进行矿产品的深加工，都离不开地质技术工作。但是，对于地质工作者来说，要进行非金属矿生产的协调或深加工，光靠已有的矿物学等地质学知识是不够的，因为这些工作往往还涉及其它学科领域的知识。例如，对于集约化运营，不仅涉及不同小矿矿石能否

29、混合处理的矿石类型等地质问题，还涉及管理经济问题；关于矿石深加工还涉及包括：精选提纯；超细粉碎；表面改性；)功能化或化学加工等。正由于其涉及专业广，所以地质工作者应努力学习相关学科知识，不断扩大知识面，才能成为这方面研究的开拓者参考文献1王濮等，系统矿物学中册，地质出版社，1984年，8月。2曹明礼等，非金属钠米矿物材料，化学工业出版社，2006年1月。3佘振宝、宋乃忠，沸石加工与应用，化学工业出版社，2005年7月。4姜桂兰、张培萍，膨润土加工与应用，化学工业出版社，2005年4月。5程耀信等，非金属矿深加工与应用技术，江西省地质矿产信息中心，1955年8月。6郑水林等，非金属矿加工与应用手

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