1、非金属矿物环境材料的研究进展应化 1122 1130109203 丁林燊摘要：本文论述了非金属矿物环保功能材料结构与性能特点，综述了非金属矿物材料在废水、废气、固体废弃物、放射性污染治理、生态恢复等环境保护领域的应用研究进展，并提出应加强非金属矿物基础研究和应用研究，并加强开发生产非金属矿物环境材料。Non-metallic mineral environment materialistical progress Abstract: This paper discusses the material structure and performance characteristics of th
2、e Non-metallic mineral environmental functional materials, and the Non-metallic mineral material progress in the field of environmental protection of the wastewater, waste gas, solid waste, radioactive pollution control, ecological restoration, ecological building materials,and points out the non-me
3、tallic minerals should strengthen basic research and applied research and to strengthen the development and production of non-metallic mineral and environmental materials.Keyword：Non-metallic minerals,Environmental Materials,Progress许多非金属矿物，如硅藻土、沸石、膨润土、凹凸棒石、海泡石、石灰石等具有环境治理和生态修复功能，可以用来制备环境污染治理材料和生态修复材
4、料，而且原料易得、单位处理成本低、本身不产生二次污染、使用过程和使用后对环境友好。例如，硅藻土、沸石、膨润土等经过加工后可以用于废水(重金属、有机污染物、氨氮等)处理和废气(硫化物、氮化物、甲醛、苯等)处理；石灰石是目前燃煤电厂广泛应用的脱硫(SO2)剂；膨润土、珍珠岩、蛭石等可用于固沙、改良土壤、垃圾填埋场(防止垃圾污水渗透)及放射性废料的处置。此外，大多数非金属矿都是环境友好材料，例如，在塑料薄膜中加入一定量的超细重质碳酸钙可制成降解塑料；超细水镁石用作高聚物基复合材料的阻燃填料不仅可以阻燃，而且不产生可致人死亡的毒烟。关键词：非金属矿，环境材料，研究进展1 非金属矿物环保功能材料的特性除
5、了用作燃煤锅炉烟气脱硫的碳酸盐矿物之外，非金属环保功能材料具有以下相同或相似的特点：(1)大多为硅酸盐矿物，如硅藻土、沸石、海泡石、凹凸棒石、膨润土、蛭石、膨胀珍珠岩等，其主要化学成分为 SiO2、Al 2O3、CaO、MgO 等，具有良好的化学稳定性；(2)多孔或层状结构，其晶体层间或纳米级孔空间可以提供特殊的微化学吸附或微化学反应场所；(3)较大的比表面积和优良的吸附性能，例如，天然沸石的比表面积 5001000m2/g，海泡石的比表面积 50150m2/g，凹凸棒石的比表面积 3040m2/g,硅藻土的比表面积20100m2/g，蒙脱石的比表面积 100m24以上。(4)离子交换性，如膨
6、润土、皂土、高岭土等的晶体层间具有可交换的Ca、Mg、Na 、K 等金属阳离子，可以在晶层间进行特殊的离子交换反应；(5)优良的吸水性和保湿性 5。此外，这些非金属矿物环境材料具有原料来源广泛、单位加工成本较低、加工、使用过程和使用结束后对环境友好等特点，是有希望彻底治理空气和水污染的新型绿色环保材料。 2 纯非金属矿物环境材料的应用2.1 废水处理木材集生物材料。地表水体污染是目前环境污染中令人担忧的问题，地下水高氟、高砷、重金属离子的污染水质亟待改善，储量较大的微咸水也未得到有效治理与利用。这项量多面广的区域性水治理改善工程不是一般性环境污染治理技术所能支撑的。成本低廉的天然矿物材料对各种
7、污染物具有自净化作用，可以用来规模治污。许多国家尤其是发达国家对非金属矿物在污水治理中的应用非常重视，如蒙脱石、累托石、海泡石、沸石、硅灰石、电气石、硅藻土、方解石、磷灰石等，在水体污染治理中得到了不同程度的利用 6。(1)水中重金属离子的处理。蒙脱石、海泡石等粘土矿物具有较大的比表面积和离子交换容量，吸附性能较好，对废水中重金属离子的吸附处理有着特殊的功效。国外的研究表明，pH 值、离子强度、络合剂是影响蒙脱石吸附重金属离子的几个重要因素 2。E.Alvarez-Ayuso 和 A.Ganchez-Sanchez 在实验室及半工业化实验中，用钙基蒙脱石和钠基蒙脱石对电镀工业废水中的重金属离子
8、进行吸附研究，测定它们对这些金属阳离子的滞留能力，发现用钠基蒙脱石处理电镀废水是一个有效的方法。研究发现，用 NH4Fe(SO4)2 改性后的海泡石对 Cr6+的去除效果很好，pH 值在 36之间，Cr6+ 浓度在 35mg/L 以内，加入 2.5g 改性海泡石，室温静态吸附 12h，去除率可达99.5%7。黄瑾晖等人的研究表明：当吸附剂海泡石的用量为 1g/100mL，溶液中 Cu2+的浓度在 40mg/L 以下，去除率可达 99%，溶液中残留的 Cu2+的浓度低于 1mg/L，达到排放标准。酸改性后的海泡石加热后，在 pH 值为 8.2、固液比为 0.05 的条件下处理 2h，对Co2+有
9、很好的吸附作用。(2)水中有机污染物的处理。由于天然粘土矿物存在大量可交换的亲水性无机阳离子，使实际粘土表面常存在一层薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有机污染物。这时需要对粘土矿物进行有机物改性，通常采用有机阳离子，通过离子交换，把粘土矿物中原先存在的无机阳离子置换出来，使其成为疏水性有机粘土，这样增加了粘土矿物中有机质含量，增强了去除疏水性有机污染物的能力。天然膨润土中由于表面硅氧结构具有极强的亲水性和层间大量可交换性阳离子的水解，使其表面通常存在一层薄的水膜，而不能有效地吸附疏水性有机污染物。将天然膨润土钠化后再进行无机聚合，能大幅提高膨润土对有机污染物的脱色去污能力，用他处理印染废水，
10、COD 去除率可达 85%以上 8。对于有机污染物来讲，有机膨润土较其他膨润土具有更强的吸附能力。国外用季铵盐改性粘土去除水溶液中马拉硫磷和丁草胺，其中溴化十四烷基三甲基铵改性膨润土的效果最好，对两种农药的去除率分别为 91.5%和 73.25%9。海泡石同时存在着位于硅酸盐“外表面”的硅烷醇基团形成的中性吸附位和用低价金属离子替代 Si4+形成的负电吸附位，这两种位置在海泡石上的分布使得它对中性有机分子或有机阳离子有很强的吸附能力。E.Sabah 等人对海泡石首先在 300下进行热活化，然后用硝酸在室温下酸化 3h，用于吸附废水中的溴化十二烷基三甲铵、溴化十六碳烷基三甲铵、长碳链和短碳链季铵
11、盐等有机化合物，均有很好的效果。海泡石不仅可用来吸附有机阳离子，近年来也有人尝试用它来吸附有机阴离子，并取得了很好的效果。Orhan Ozdemir 等人用典型季铵表面活性剂十六碳烷基三甲铵对海泡石改性，用改性海泡石对黄、黑、红三种含阴离子磺酸基染料进行吸附得出最大吸附容量分别为 169.1g/kg、120.5g/kg 和108.8g/kg。除了治理废水，非金属矿物还可以改造水质。西沙群岛饮用水就是用当地含沸石的火山角砾岩处理后，排除海水中的有机质，降低矿化度，减少氨离子和硝酸根，成为标准饮用水的。我国某些干旱、半干旱地区地下氟含量偏高，导致“斑釉病” 、 “氟骨病”地方病发生。浙江地矿厅专家
12、将缙云沸石经加工破碎、装柱、活化、水洗、明矾溶液处理后，在除氟器内处理义乌徐村氟含量高达 22mg/L 的井水，除氟效果明显，水质达国家饮用水标准 2。2.2 废气处理全球气候变暖将使沙漠化现象加剧，也将严重威胁森林、牧场、野生动物等其他生态系统。地球气候的变化将产生一个漂移不定的气象模式，越来越难以预报。干旱、风暴、洪水、台风等自然灾害将可能比任何时期更频繁、更严重。以燃煤和燃油为主的能源结构，直接导致大气中 SO2 浓度增大，使大气受到严重污染，造成酸雨增加，对农牧业生产、建筑物、人体健康等都有严重的危害。大量 F2、Cl2 气体的排放与泄漏，使臭氧层更为稀薄甚至出现空洞，紫外线长驱直入地
13、表，对生物产生损害。全球排放到大气中的有害气体中，发达国家占 84%以上，而经济实力不强的发展中国家和地区是首当其冲的受害者。这将进一步加剧国家内部不同地区及国与国之间的社会不平等，影响全球的和平与共同发展，因此，如何净化大气、减少空气污染成为了首要问题。经浓 H2SO4 和浓 HNO3 酸化处理后的石墨，水洗后在 300-500膨化，使体积增大 100-300 倍。用这种膨化石墨可以对煤及石油嫩烧产生的 SO2 和 NOx 进行脱除，实验表明膨胀石墨对 SOx 邢 NOx，有较好的吸附作用，可以用来净化含 SO 邢 N01 的气体。该法与传统工艺相比具有简单、可靠、成本低的优势，膨胀石墨可望
14、为大气净化发挥更大作用 3。汽车尾气属于小规模移动性污染源，废气为氧过剩废气，去除这类氮氧化物的最理想方法是将其直接分解(2NO-N2O2) ，然后送回大气层。在这种条件下，使用沸石看来是最有希望的方法。经过铜离子交换的 ZSM-5 沸石 11，其触媒活性可以满足这方面的要求。目前存在的问题有两点:一是如何除去铜离子交换后形成的硫氧化合物这种危害较大的共存物质，二是怎样解决水蒸汽引起的沸石稳定性与活性下降的问题。将来，这种离子交换改性沸石的稳定性和触媒特性，一定可以满足利用氧过剩废气中的碳化氢和还原氮氧技术的要求 10。另外，丝光沸石、斜发沸石除具有良好的吸附性能，还有较强的耐酸、耐高温性能，
15、可用其除去工业废气中的 H2S, SO2 等 12;利用比表面积大、吸附性强的膨润土、海泡石、坡缕石、高岭土等作为吸附过滤材料，可以处理臭气、毒气(如 NO, SO2, H2 等)之类的有害气体。2.3 固体废弃物处理固体污染物含有大量的有害物质，是造成土壤、水体和大气污染的主要次生污染源，主要为各种工业生产和城市居民日常生活排放的废弃物，包括各类炉渣、煤歼石、粉煤灰、赤泥、尾矿以及生活垃圾等。这些废弃物的矿物组成绝大部分是非金属矿物，对于此类污染物的治理主要是使其二次资源化。例如煤研石 13，其成分与粘土相似，可用以生产砖瓦、水泥、轻骨料、砌筑砂浆:含碳量很低的煤研石可用于生产陶瓷、耐火材料
16、等。近期的研究表明，用煤研石、高岭石、膨润土等为主要原料，可人工合成沸石，代替传统洗涤剂中的三聚磷酸钠，可大大减少洗涤废水中残余磷对环境造成的污染，这将是洗涤产业发展的趋势。2.4 在处置放射性废物方面的应用当前，对于放射性废物的处置，一般采用水泥或沥青对置于铅滤毒灌中的放射性废物固化处理，最后深埋于深海或结晶岩等地层中，利用放射性自然衰变的特性，在较长时间内将其封闭，使放射性强度逐渐减弱，消除污染，其中阻滞放射性核素迁移是核心问题。目前大多数国家初步选择凝灰岩和花岗岩作为具有天然屏障功能的处置库围岩。鲁安怀的研究 5认为长石类矿物中硅氧四面体在三维空间作架状连接，可以形成较大的空隙与孔道。常
17、见的钾长石晶体中孔径长为 0.550nm，孔径宽为 0.385nm14。实验研究发现，水分子能够进入其中，与水分子大小相当的典型高放射性核素原子半径，比起长石类矿物孔道中存在的 K、Na 、Ca 还要小。有理由认为，既然水分子与碱金属离子能够进入长石类矿物孔道，大小相当而活性更强的放射性核素无疑更容易进入长石类矿物孔道。正是凝灰岩与花岗岩中长石类矿物发育有良好的孔道结构，可使核素进入孔道，能够有效阻滞核素迁移而成为天然屏障。2.5 在治理土地沙漠化方面的应用土地沙漠化已成为一个世界性的问题，土地一旦变成沙漠，想让它再变成绿洲和良田，代价是非常昂贵的。要防止沙漠化，就得从改良土壤做起。一些粘土矿
18、物材料能吸附比自身重量大得多的水分，具有独特的水土保持功能。例如，膨润土水化后，体积迅速膨胀至凝胶体，渗透率大大降低，而且膨润土具有良好的抗冻性、压缩性、固节性，对沙土的稳定性、密实性、自保水性、永久性等，具有明显的效果，所有这些特性使其成为沙漠化治理的理想材料之一，而且将植被种子与水、膨润土搅拌后，可提高种子在沙性土壤中的出芽率和成活率，改善沙漠化地区的生态环境 15。3 结论生态环境材料作为跨材料科学、环境科学记忆生态科学等学科的新型材料，在保持资源平衡、能源平衡和环境平衡方面起到非常重要的作用。如果在生产和生活中广泛使用该类材料，就可以实现社会的可持续发展，使资源和能源得到有效的利用，使
19、我们的生产和生活环境得到有效地保护。这类材料代表者科学技术发展的方向和社会发展进步的趋势，必将对人类社会的进步起到巨大的推动作用。 环境污染对人类的生存、发展已构成了严重的威胁，引起了全社会的共同关注，加强环境保护与治理已刻不容缓。应该充分认识到，非金属矿环保材料在治理环境污染、环境恢复领域具有十分独特的作用，并在治理污染的规模、成本、工艺、设备、操作、效果及二次污染等方面具有明显的优势。面对日益恶化的生态环境和生机勃勃的环保工业，对非金属矿环保材料的研究和开发而言，挑战与机遇并存。随着非金属矿深加工技术的发展，对非金属矿环境属性等方面研究的不断深入，非金属矿在环保领域的开发应用会越来越广泛，
20、非金属矿环保材料也将成为非金属矿工业新的热点。但是，要形成非金属矿物环境材料产业，还存在许多问题有待解决。参考文献：1 安会芬. 环境材料的用途及发展趋势J. 铸造技术, 2005, 26(7): 645-647.2 李铖. 生态环境材料研究现状及发展J. 玻璃纤维技术与研究, 2005, 5: 11-15.3 陈从喜,鲁怀安.天然矿物治理污染物研究进展与展望J. 中国非金属矿工业导刊,2002,(5):29-33.4 朱利中,李益民,张建英,等.有机膨润土吸附水中奈胺、苯酚的性能及其应用J. 环境科学学报,1997,17(4):445-449.5 Zhou B. L., Shi C. X.,
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