第13章 矿物材料在环境治理中的应用

13矿物材料在环境治理中应用13.1环境矿物材料的分类和特点13.2天然矿物对污染物的基本净化原理13.3天然环境矿物材料研究进展13.4环境矿物材料的应用13.5环境矿物材料的发展前景本章内容13.1环境矿物材料的分类和特点本节内容13.1.1环境矿物材料的分类根据矿物材料的定义和加工改造特点，一般将矿物材料分为如下三大类型：天然矿物材料、深加工矿物材料、复合及合成矿物材料。而根据矿物材料的特点，环境矿物材料则可以分为如下四大类：（1）天然环境矿物材料（2）改性环境矿物材料（3）复合及合成环境矿物材料（4）工业固体废弃物13.1.2环境矿物材料的两个最基本属性（1）材料本身是以天然矿物或岩石为主要原料；（2）材料具有环境协调性或具有环境修复和污染治理功能。13.1环境矿物材料的分类和特点总体上来说，环境矿物材料具有以下特点：（1）应用范围广，除了“三废”处理外，还适用于科技发展带来的新污染，如光污染、各种射线辐射、微波、电磁场、低频噪声等的治理。（2）环境协调，环境矿物材料是自然界天然无机矿产，具有与天然环境的共生性和协调性，既能治理污染，又能修复环境、回归自然。（3）可循环、无污染，绝大部分环境矿物材料在环保中的应用都能遵循再生利用，无二次污染或二次污染小。（4）天然自净化功能，环境矿物材料具有天然自净化功能，在一般性环保技术不能解决的非点源区域性污染方面能发挥独到作用，这是物理、化学和生物治理方法不能比拟的。（5）处理效果好，可以有效去除有机和无机污染物，且去除效果良好。（6）具有生化稳定性，具有较高的化学活性和生物稳定性。（7）储量丰富，工艺简单，治理污染成本低廉。13.2天然矿物对污染物的基本净化原理天然矿物对污染物的基本净化性能主要体现在以下方面：（1）环境矿物材料的表面吸附作用；（2）环境矿物材料的孔道过滤作用；（3）环境矿物材料的结构调整作用；（4）环境矿物材料的离子交换作用；（5）环境矿物材料的化学活性作用；（6）环境矿物材料的物理效应作用；（7）环境矿物材料的纳米效应作用；（8）环境矿物材料的生物交互作用。以天然矿物材料为原料治理环境污染，不仅具有工艺简单、成本低、原料来源广泛、净化效率高等优势，而且还可以做到以废治废、污染控制与废弃物资源化并行。13.3天然环境矿物材料研究进展应用范围功能非金属矿物及作用大气污染中和石灰石、菱镁矿、水镁石等碱性产物用于中和可溶于水的气体，这些气体多为酸酐。吸附沸石、蒙脱石、海泡石、坡缕石、高岭石、白云石、硅藻土等矿物吸附NOX、SOX、H2S有毒气体。水污染过滤石英、尖晶石、石榴石、海泡石、坡缕石、硅藻土及多孔SiO2、膨胀蛭石、麦饭石等用于化工和生活水过滤。调节pH白云石、石灰石、方镁石、水镁石、蛇纹石、钾长石、石英等用于清除水中多于的H+或OH-。净化明矾石、三水铝石、高岭石、沸石等用于清除废水中的磷酸离子、铵盐和重金属离子等。土壤污染吸附膨润土、凹凸棒石黏土、海泡石、高岭土、沸石、蒙脱石等吸附土壤中重金属离子和有机污染物。调节pH海泡石、碳酸钙、沸石、磷灰石、石灰石、白云石调节pH，抑制土壤中重金属的迁移。放射性污染过滤石棉用作过滤、清除放射性气体和尘埃。离子交换沸石、海泡石、坡缕石、蒙脱石用于阳离子交换剂净化被放射性污染的水体。吸附固化沸石、海泡石、坡缕石、蒙脱石、硼砂、磷灰石可对放射性物质永久性吸附固化。噪声隔音沸石、蛭石、珍珠岩、浮石等轻质多孔非金属矿产可用于保温隔音的建筑材料。表13-1非金属天然环境矿物材料应用（1）环境矿物材料处理无机废水水体的无机污染主要是指重金属离子污染（Cr6+、Cr3+、Pb2+、Cd2+、Hg2+、As3+、As5+、Zn2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+）以及一些非金属离子污染（NH4+、NO3-、PO43-、F-、CN-），它们给水体生物及人类带来了巨大的危害。13.4环境矿物材料的应用13.4.1环境矿物材料在废水处理中的应用图13-1硅藻土负载纳米碳合成示意图（2）环境矿物材料处理有机废水矿物材料在有机废水中的应用主要指在印染废水（罗丹明B、亚甲基蓝、刚果红、活性艳红、耐酸大红）、酚类（苯酚、氯苯酚、对二苯酚、氨基酚、硝基酚）、烃类（卤代烃、脂肪、羧酸、表面活性剂）、杀虫剂（敌百虫、敌敌畏、克百威、多菌灵）、油田废水、造纸废水等的应用ShuilinZheng等通过不同的表面改性剂修饰钙蒙脱石，并对得到的有机黏土进行结构表征，对双酚A的平衡吸附试验证明该过程符合准二级动力学过程和Langmuir等温吸附过程，黏土矿表面的亲水性以及添加表面改性剂后产生的带正电表面有效提升了其对双酚A的吸附能力（如图13-4所示）（2）环境矿物材料处理有机废水图13-5g-C3N4/蒙脱石吸附降解罗丹明B、四环素示意图ChunquanLi等通过湿化学以及煅烧的方法制备了g-C3N4/蒙脱石复合材料，并对复合材料的微观形貌、界面特性及光学性能等进行了研究，并且在可见光条件下降解水中的罗丹明B和盐酸四环素，结果表明，蒙脱石高效吸附性与g-C3N4良好的光催化降解特性的协同作用以及静电作用，使得复合材料相对于单一g-C3N4有更高的光催化降解能力（如图13-5所示）。

（2）环境矿物材料处理有机废水

硅藻土通过有机或无机改性修饰同样可以将其运用到各种有机废水治理中。ZhimingSun等通过离心旋转蒸发将纳米尺度的零价铁固载到硅藻土上，其对除草剂西玛津的去除效率大大提升（图13-6）。图13-6硅藻土负纳米零价铁合成降解示意图（2）环境矿物材料处理有机废水ZhimingSun等还将g-C3N4/TiO2通过原位合成的方法固载到提纯硅藻土上，研究了复合材料在可见光以及模拟太阳光下对罗丹明B以及亚甲基蓝的降解效果，结果表明，硅藻土的载体效应以及g-C3N4和TiO2的异质结效应使得复合材料的整体效果显著提升（图13-7）。图13-7g-C3N4/TiO2/硅藻土复合材料及降解原理图采用清洁、丰富的环境矿物材料进行大气污染处理，是一条行之有效的方法，近年来科研工作者在这方面也做了大量的研究。蒙脱石、海泡石、坡缕石等，因为比表面积大，吸附性强，作为吸附过滤材料广泛应用于空气污染的净化。这些环境矿物材料经过简单处理，可用于臭气、毒气及有害气体如NOx、SOx、H2S等的吸附过滤，现已成功的运用在去除与腐烂变质物臭气有关的1,4-丁二胺和1,5-戊二胺以及包含排泄物臭气中的吲哚、丁烷一类气体。沸石具有强大的吸附功能，对极性分子如H2O、NH3、H2S、CO2等有很高的亲和力，即使在相对低浓度、湿度、较高温度下仍能有效吸附，因此是性能稳定、吸附效果良好的吸附剂。吴军等]利用沸石吸附香烟主流烟气中的亚硝胺和氮氧化物，并取得了良好的吸附效果，结果表明沸石可以选择性的吸附亚硝胺和氮氧化物，其吸附的比例关系很大程度上受到沸石孔径的限制。

海泡石对某些有害气体如氨气、甲醛、硫化物等具有极强的吸附作用。13.4.2环境矿物材料在大气处理中的应用利用环境矿物材料，特别是具有较强吸附能力、离子交换性能、防渗性能的环境矿物材料对重金属污染土壤进行治理是一种行之有效的办法。环境矿物材料中的黏土、蒙脱土、蛭石、沸石等结构中存在水分子，以它们为主要原料制备的土壤改良材料具有保水、调温的功能。在雨季，它们可将水分固定在结构中，旱季来临时，将结构中的水分释放出来。蒙脱土、蛭石、沸石等具有良好的吸附功能，可将作物所需的营养成分吸附在表面及结构，使其缓慢释放，以达到保肥的目的。13.4.3环境矿物材料在土壤处理中的应用13.5环境矿物材料的发展前景近年来，日益严重的环境污染与生态破坏已对我国国民经济和社会发展产生了重大的影响。环境矿物材料经过近几十年的发展，已在环境治理领域显示出优良的应用前景，并成为国内外矿物材料领域的研究热点。目前，我国在环境矿物材料的制备、结构表征、治理机理等方面取得了显著的进展，未来该领域的发展前