将富含天然纳米亚微米矿物的矿山废弃物用于环保工程定稿

11.4011.4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11.4011.4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5～6万nm。它和地学上晶胞单位的关系是1nm=20Å。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(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100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ThomsonReuters(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(100～1000nm)，因此有些地质学者，常将其称为“天然纳米－亚微米矿物”。

三、富含纳米-亚微米矿物的

矿山废弃物

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Whilemostofthenitrogenstillcomesfromwastefertilizer,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[12]～[16]的论述，其根据如下：

①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%”。②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[18]－[23]可为证明。四、将富含级天然历纳米-亚微纵米矿邪物的屿矿山菜废弃何物用衬于环贼保工宴程举守例2.利用会矿山愉废弃糟物中班天然汉纳米突矿物愧防治结沙漠燥化从上删世纪只末开萌始，滤有些邻国家晓开始引另辟辆途径趣来解蔑决水消的问伯题，划如比订利时饼、以材色列捎、南柴非和板非洲抢北部励等国坛家，驼开始使用高吸烟水保脂水材皆料于造慎林治钩沙已毛取得馒显著善效果[2泉4]；近很年来猴，某谈些发迎达国弱家，象基于庄采用醋高吸负水保洁水材喘料的爪“绿色页地球蔽计划”或订“治理仍沙漠耳计划”相摔继出腿台，爹实际劫效果腿十分徒显著挂。所谓应高吸未水保或水材蜡料，勒小孩哀尿布夹尿不隐湿中莲所包日含的则材料然就是仪其中桥之一牛；它宰是单细纯树通脂类池保水港剂，连吸水妖率可脖高达40无00摸g/误g,但每殿吨价周格在1.猫5万元朗以上狗，用摔于防融治沙筑漠化警成本趴太高夜；而两且吸穗水能殃力过侨大，腔反而种对植倍物根博系吸抬收有什不利侄影响料。近大年来眉我国仰许多妥研究品院所栗和高情校，避纷纷用研究纳米矿物匆／聚豪合物晚复合哑高吸瓣水材要料已麻取得棋可喜船的实塘验室买研究倾成果[2怪4]～[3者0]。下页牢照片奶是沙冰漠建暂成的纽奉绿地。有了勇高吸喘水保娇水剂扣沙漠含也可横搞种恩植四、将富含反天然更纳米-亚微失米矿笋物的顷矿山答废弃旁物用耀于环仁保工炮程举丑例3.在防饿治耕惧地重卵金属葡和农拖药污闪染方渐面对于蒸这类恼污染宝，根太据新厘华网20叠14年4月的扩报道壮：我锦国“椅耕地创土壤钩点位梨超标陶率为19球.4％，累主要风污染欲物为板镉、牙砷、阴汞、愚铅、饺滴滴教涕和毫多环旋芳烃桑。”抚显然琴，这大类污艺染将燃通过愿食物储链严敲重影以响到厌人体汁健康穗；同仪时它劫又是寺最难挑清除诸的污素染。揉幸好维随着充天然康纳米僻矿物(如沸侄石以裁及粘趋土矿交物蒙苏皂石探、伊冲利石铺等)的发渔现，蛋找到具了使趁其“暗钝化旦”的舍办法(即让他污染变物固原化于常矿物按中而蹲不被苍农作皱物所乌吸收益的办寨法)。其窗主要筑机理能是天咬然纳钟米矿预物对疗于污持染物归有很友强的候吸附县功能苦；有采的纳歼米矿氧物改誉性后样吸附矮能力饶更强芬，乃纱至可偷降解常某些餐农药根，如隙含钛未沸石饭可降匆解敌闻敌畏味。四、将富含血天然雾纳米-亚微诵米矿灶物的追矿山提废弃民物用诸于环扁保工睬程举到例4.在建提设海株绵城材市[3必9]中的销应用：为屋酿顶绿略化提夏供无卷土栽辨培材包料是海浴绵城臣市主挑要措筐施之筹一：屋顶侧绿化践就是践在屋棉顶上宜种植策观赏绒植物封乃至棵果蔬(见图1)。屋郊顶绿厉化最梯早在令德国卫兴起[3耻5]，其低播建造周成本葛和低肉维护印费用劫模式失使之浇在德箱国屋逮顶绿熟化的株大面索积推里广中适发挥探了关晓键性撇的作槐用;其显楚著的川生态卷效益僚更使早之得租到整宏个社笛会的乔普遍积认同姐并得篮到迅供速发森展。由俯于老政房子菊建造冤年代僚久远蜜，屋肝顶承冻重能宗力较府低，凉以及高一些庸斜面额屋顶私的存勇在，窄让设裳计师漆在进钢行老协房子执的屋弊顶改逝造工榆程时够倾向倍于选臣择轻型屋顶清绿化脚；如今肿德国80％的谢屋顶肌绿化帐都是腊轻型乡丰屋顶话绿化搜。大笔多数证的轻型屋顶钉绿化(约60～65％)就是制由老却房屋摄改造姻重修呼的。所探谓“轻型泊屋顶犁绿化”也战就是扁在屋软顶上和不是贩用土灿壤作解为种昌植的参基质倚，而执是采扰用陶粒(如配炎加锯凡末或抬泥炭疼效果组更好)、膨胀仙蛭石、膨胀农珍珠辜岩等轻杜质材纵料作谜为种复植的想基质价。屋丹顶绿易化还盗可进兵一步芹发展燥为房戒子外刺墙的什垂直孙绿化(如图2)，即卧在每恐层房直子晒尺台上雁进行鹿种植跑。据美吸国波棕特兰血大学设“无欢限绿研色屋出顶小喇组”穗对占船地72猪3英亩岩的波季特兰州商业龟区进般行分冠析，虑将21朴9英亩个的屋哄顶空左间—年—即愁三分窑之一饶的商售业区置修建冶成绿犯色屋洒顶，樱就可垄以截柳留60％的受降雨罪，每闻年将善保持贡约67劳00加仑沈的雨壳水[3驶6]海绵怖城市暮的屋凑顶及队晒台留无土头种植已都需努要陶狂粒等腹作为哄基质暮；海倦绵城樱市的逐广场局透水秆砖也鼻需要碌高强隐陶粒美作为杰骨料四、将富含麦天然续纳米-亚微扭米矿洋物的丙矿山凤废弃扩物用粮于环广保工阅程举孙例5.在墙陶体材跌料隔肠热节虚能中巨的作散用：每年许冬季洲取暖境，夏蝴季降值温都吐要消铅耗大退量能狂量。仓因此怖，在代墙体粥上利启用隔睛热材避料是幸节能提的重租要措点施。样过去硬对于抚墙体缺外保波温性腊能较彼好的钞材料剂一般拌都认寒为是遗有机它材料,如聚夜氨醋锄、聚刊苯板胁等,但因田不防乘火、墓耐候某性差孙不能遮与建气筑物租同寿纤命等节缺陷,给建轨筑物臭带来累很大它的安推全隐地患和犁灾难,如20案09年2月9日央滑视大杯火。故外肤墙有迷机保穷温材谢料已咬被国源家公应安部弱消防班局规纤定禁讨用。云经过让近几伸年有球关部园门的烘大力家研究[4伪0]超-[旗45个]，已迈证明证采用瓶以超撞轻高曲强陶限粒及或陶砂顶为骨冒料的泰各种帐混凝挺体构柔件是森很好标的隔护热节素能构鸭件。炎已有任试验忍证明乌好的拘这种凳构件杯可隔宰热50％以狼上；熊这意斜味着巷冬天招可节据省燃晓料，翠既节泻能又湾减少梯燃烧捆源污浅染，震夏天岩也可扛节省伶空调趁用电灯，同江样可洲既节凉能又陕减少辛燃烧尺源污够染；荷这两乐项又宣有助奶于减矛少霾录的污桨染源。四、将富含芽天然见纳米-亚微批米矿宗物的押矿山誉废弃岔物用棕于环穗保工罗程举不例5.在墙氧体材羡料隔烟热节驶能中当的作何用：下表偿说明(a坡)陶粒还为骨侍料的促混凝遮土砖镇厚度赛小却绳隔热逆效果逐好于缎其它四、将富含箱天然渣纳米-亚微多米矿枕物的侍矿山顷废弃澡物用静于环石保工工程举斩例6.沸石台和膨嚼润土倚高附辱加值毁的几稻个环钞保小斯用途：膨润不土矿杨废石楼或沸骂石矿膀废石峰，如初果兼忍含沸键石与啊蒙皂芽石两盐种天敌然纳桨米矿室物，巡寿由于也沸石蹦吸臭何能力突强，奴而蒙鞭皂石乔吸水砍能力虑强；轿两者良结合销最适育于：用做涝猫砂(即宠弯物垫疮圈除织臭吸芬湿的庄物料)；用做甲冰箱援的除房诚臭吸共湿剂参；用室作除丛臭吸遵湿鞋竿垫；死用作哀水果益保鲜争剂；啦降毒涛卷烟代等。PP网T模板瓦下载喜：ww唱w.即1p扣pt咽.c幅om剪/m洒ob纺an傍/行业PP厌T模板泳：ww补w.卸1p火pt萌.c隆om瓦/h映an桂gy港e/节日PP拢T模板案：ww萌w.鸽1p茫pt较.c盯