1.粘土礦物材料的研究現狀
人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展史就是人們利用礦物材料的文明史。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化程度的不斷提高，許多金屬材料的性能已不能適應高強、高速、高溫、輕質(zhì)、絕緣、耐腐蝕等方面的要求，因而非金屬礦物材料的發(fā)展十分迅速，如美國汽車(chē)工業(yè)中轎車(chē)鋼鐵構件已由占81%降為61%，采用由非金屬材料制成的構件大大減輕了車(chē)重，節約了鋼材；發(fā)達國家一些原來(lái)從事鋼鐵、造船等行業(yè)的研究已轉向新型材料及新型陶瓷的研究。同時(shí)，伴隨著(zhù)礦物材料的深加工技術(shù)的發(fā)展，礦物材料的利用價(jià)值和應用領(lǐng)域不斷提高，如散裝膨潤土30美元/噸，而有機膨潤土2400-3600美元/噸；重晶石散裝未碎者40美元/噸，而藥物級達2560美元/噸；石墨原礦500美元/噸，石墨密封材料7000美元/噸，而石墨乳10000美元/噸。近年來(lái)無(wú)機非金屬礦物材料在環(huán)境保護中的應用不斷加強，使礦物 材料成為治理、修復環(huán)境污染的環(huán)境材料。
新型材料是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要支柱之一，隨著(zhù)材料結構向多元化、功能化、智能化發(fā)展，礦物材料已成為現代材料科學(xué)的重要組成部份。傳統的或一般的礦物材料的應用是直接利用礦物(包括部分巖石)本身所具有的物理化學(xué)性質(zhì)和工藝特性，而且只作為單一性能或低性能的一般材料來(lái)應用。如陶瓷礦物材料、建筑礦物材料、化工礦物材料和冶金輔助礦物材料等，這種傳統的礦物材料都是低值材料或產(chǎn)品，并由于其本身性能的局限性或未得以強化增強，因而在諸多領(lǐng)域的應用受到限制。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，礦物材料正在向輕型、高純、精細和復合方向發(fā)展，具有特殊功能的礦物材料已成為新型材料和應用技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的主流。
2.粘土礦物在環(huán)境治理中的應用
雖然物質(zhì)文明提高、人類(lèi)在創(chuàng )造物質(zhì)文明的同時(shí)，也在不斷破壞人類(lèi)賴(lài)以生存的空間環(huán)境，地球溫室效應、酸雨現象、高新技術(shù)產(chǎn)生的污染、臭氧層的穿孔、地球資源的枯竭、廢棄物的增加等對地球環(huán)境的破壞越來(lái)越嚴重，保護環(huán)境、治理環(huán)境、有機地協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護已成為我國21世紀可持續發(fā)展的戰略目標的重要內容。隨著(zhù)“在原料采用、產(chǎn)品制造、使用或者再生循環(huán)以及廢料處理等環(huán)節中對地球負荷最小和最有利于人類(lèi)健康的材料”綠色材料新概念的提出，礦物材料不僅是綠色材料主要組成，而且在環(huán)境保護和環(huán)境治理中起著(zhù)重要的作用。
2.1礦物材料在治理空氣污染中的應用
大氣污染系指由于人類(lèi)活動(dòng)和自然過(guò)程引起某種物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈現足夠的濃度，達到足夠的時(shí)間，并因此而危害了人體健康，舒適感或環(huán)境。大氣污染物按其存在狀態(tài)可分為氣溶膠污染物和氣態(tài)污染物兩大類(lèi)。其中氣態(tài)污染物在一定的條件下可轉化為氣溶膠態(tài)污染物，氣態(tài)污染物包括了以二氧化硫為主的含硫化合物，以氧化氮和二氧化氮為的含氮化合物、碳的氧化物、碳氫化合物及鹵素化合物。
2.1.1工業(yè)廢氣治理
工業(yè)廢氣是我國大氣污染的主要來(lái)源，僅建筑材料的生產(chǎn)每年排出廢氣10.96億立方米；廢水排放量355億噸；其中水泥、與傳統墻體材料等每年排放的CO2量約為6.6億噸，占全國工業(yè)排放CO2量的40%左右。據資料介紹，我國目前每生產(chǎn)一噸水泥熟料要排放1噸CO2、0.74公斤SO2、130公斤粉塵；每生產(chǎn)1噸石灰排放1.18噸CO2。
由于有害氣體多為酸酐，大部分能溶于水，因而可用呈堿性的礦物與酸酐發(fā)生中和，從而吸收酸酐，達到清除廢氣的目的。石灰石（方解石）、生石灰、方鎂石、水鎂石、坡縷石等均屬此類(lèi)礦物材料，如日本用方鎂石、水鎂石吸收SO2、SO3廢氣：
MgO+SO2+H2O→MgSO3+H2O
Mg(OH)2+SO2+H2O→MgSO3+2H2O
Mg(OH)2+SO3+H2O→MgSO3+2H2O
Werner(1987年)成功地研制了用石灰石和生石灰進(jìn)行煙道干法脫硫的方法。在T=820～1370K下，用粒度為0.1～2mm的石灰石或生石灰，對SO20.1～1%（體積百分比）的煙氣作脫硫處理，停留時(shí)間為30秒至6小時(shí)，生石灰對廢氣的吸收容量可達50%。S.Dicter（1987年）用TiO2和過(guò)渡族元素催化劑（如釩的氧化物），采用還原法，將NOx轉化為N2和H2O，反應溫度為350℃左右。張長(cháng)劍（1981年）將石鹽添加進(jìn)煤和石灰石的沸騰爐內可降低有害氣體生成量，因為NaCl能有效地提高石灰石活性，使爐內廢氣排出量明顯減少，降低石灰石消耗量達50%。
對于不溶于水的酸酐，可先轉化為溶于水的酸酐，再用上述方法處理，此外利用粘土礦物，沸石以及改型后的多孔狀礦物作吸附劑也可排除有害氣體，凈化環(huán)境。如斜發(fā)沸石、絲光沸石、菱沸石、毛沸石、坡縷石、海泡石、膨潤土、高嶺石、多孔SiO2、活性Al2O3、白云石、泥炭、硅藻土等。
2.1.2城市空氣治理
城市空氣污染主要來(lái)源于汽車(chē)尾氣的排放，其中包括NOx、金屬排放物，如Pb等排放，隨著(zhù)現代大中城市之無(wú)鉛汽油的使用，由汽車(chē)排放的鉛金屬陽(yáng)離子的危害大為減少，同時(shí)三元催化油的使用與使得汽油的燃燒NOx排放量的顯著(zhù)減少。以青石為主體的三元催化劑載體得到了廣泛的應用。青石為環(huán)狀結構含鋁硅酸鹽。四面體中存在著(zhù)[ALO4]對[SiO4]置換以及配位多面體中金屬陽(yáng)離子的類(lèi)質(zhì)同像置換，活性強，同時(shí)具有極好的高溫熱穩定性。日本近來(lái)利用高溫熱穩定性好，同時(shí)吸附能力強的海泡石制作高效汽車(chē)尾氣凈化器，由于汽車(chē)排放氣體有害萬(wàn)分主要為NOx，以納米質(zhì)多孔石或銳鈦石為主要成分的光觸媒凈化涂料得到廣泛應用。
2.1.3室內空氣污染
室內空氣污染及治理是當前的熱門(mén)研究課題，也是百姓關(guān)注的重要話(huà)題。隨著(zhù)家庭裝飾裝修材料主要是人工合成材料高分子材料使用的增多，不僅引出了短時(shí)間的空氣污染，同時(shí)帶來(lái)長(cháng)久的潛在隱患。短期的空氣污染主要表現在甲醛、氨、苯等早期釋放強濃度的危害?？諝庵屑兹℉CHO）超標對人體的危害是非常嚴重的，并且這種危害具有長(cháng)期性、潛伏性、隱敝性，嚴重的會(huì )引鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系統癌癥。甲醛可經(jīng)呼吸道吸入，其不溶液“福樂(lè )馬林”可經(jīng)消化道吸收。當空氣中含量達到30mg/m3時(shí)，可導致人當即死亡。氨是冬季混凝土施工外加劑的釋放物。國家規定居住區的安全氨濃度為小于0.2mg/m3。氨濃度過(guò)高時(shí)，除皮膚腐蝕作用外，還可通過(guò)三叉神經(jīng)末梢的反射作用引起心臟停搏和呼吸停止。氨以氣體形式吸入人體肺后，容易通過(guò)肺細胞進(jìn)入血液與血紅蛋白結合，破壞運氧功能。
氡是建筑材料，如砂、石、磚、地下土壤中放射性物質(zhì)形成的無(wú)色無(wú)味的天然放射性氣體。因此高反射性建筑材料是導致氡的主要物源。這些物質(zhì)可能包括放射性超標的花崗巖石材，具反射性礦渣、煤渣混凝土砌塊或粉煤灰砌塊，也可以來(lái)自高放射性背景區的高溫燒制材料如瓷磚等。氡作用于人體可導致人體的造血器官、生殖系統、神經(jīng)系統和消化系統的損傷，同時(shí)會(huì )很快衰變成人體能吸收的核素，進(jìn)入人的呼吸系統造成輻射損傷。
以銳鈦礦型納米TiO2光觸媒凈化器已有效于應用于室內空氣凈化，其作用機理為在紫外光照射下，TiO2表面生成空穴（h+）同時(shí)生成電子（e-）空穴使H2O氧化，（e-）使空氣中的O2還原。H2O+h+→·OH+H+，O2+e-→O2-，·OH基團的氧化能力很強，對有機物以及甲醛、萘、苯酚等進(jìn)行氧化分解，最終生成CO2和水，及NH3·OH，并對病菌及其分泌物毒素均有較強的殺滅和降解作用。以沸石、坡縷石、海泡石多孔結構為載體的載銀無(wú)機抗菌劑也產(chǎn)生相似的作用和效果。
坡縷石、海泡石為天然的納米纖維礦物材料，其單晶纖維直徑僅0.03-0.08μm即30-80nm。徑長(cháng)比大于1:100—1:1000?；谄涮赜械姆惺椎澜Y構、晶體表面生長(cháng)缺陷的發(fā)育和納米級尺寸效應，經(jīng)充分分散處理后的海泡石、坡縷石具有大于300m2/g的比表面積和超強吸附性。以纖維狀坡縷石、海泡石制作的環(huán)保型特種多功能紙不僅具有難燃、阻燃效果，而且有效的吸附室內空氣中的氮氧化物（NOx）和有害極性氣體，應用于空氣凈化超細濾膜紙，由于海泡石、坡縷石的強防輻射屏蔽性，其壁紙材料可有效防止建筑墻體氡氣的析出。
2.2粘土礦物在治理水污染中的應用
廢水通常包括工業(yè)廢水和生活廢水兩種，工業(yè)廢水的污染性視其來(lái)源不同而表現出不同的污度和有害成分，無(wú)機物廢水、有機物廢水和反射性廢水。前一種可以通過(guò)簡(jiǎn)單的凈化處理達到效果，而后兩種，特別是含有酚、氰化物和重金屬離子（如鎘、鉛、鉻、汞、砷）對人類(lèi)的生活和生存有著(zhù)極大的危害生活廢水一般不含有毒物質(zhì)，但含有大量細菌和病原體，我國水資源量為28000億m3（其中地下水為8000億m3），居世界第六位，但人均占水量居世界第88位，全國每天缺水2000萬(wàn)噸，水資源危機日益突出。由于工業(yè)廢物的產(chǎn)生，使得大部分城市的地下水受到不同程度的污染，重金屬離子、有機化合物及一些亞硝酸鹽在水中的含量大大超出了所規定的標準。因而防止水污染以及對廢水、污水進(jìn)行凈化處理，是充分利用水資源、保護水資源的重要途徑，同時(shí)對于人類(lèi)的健康提供了必要的條件。前人進(jìn)行了金屬礦物的廢水處理，如軟錳礦可以用于處理酸性含As廢水，磁鐵礦可除去廢水有顏色、混濁物和鐵、鋁等，當pH值為2～9時(shí)，磁鐵礦除As可達99%，在合適的pH值范圍內，經(jīng)硫鐵礦處理的水中，As≤0.05mg/L，達到了飲用水的標準。用天然黃鐵礦清除Cu2+、Cd2+、Pb2+、As3+、As5+、Cr6+，效果可達98%。
采用礦物材料處理廢水、污水的方法，目前主要有過(guò)濾、中和、混凝沉淀、離子交換和吸附等方法，用于過(guò)濾方法的礦物材料主要是礦物砂，這對礦物材料的要求主要是：在水中穩定，即不溶解、不電離、不與水發(fā)生反應，并保持中性。同時(shí)為了除去水中固體微粒等雜質(zhì)，對過(guò)濾所用的礦物砂的粒度、圓度及級配都有一定的要求，常用礦物有石英、鈦鐵礦、重晶石、石榴石、多孔SiO2、硅藻土等，板柱狀礦物和片狀礦物不宜單獨用作過(guò)濾礦物砂。
利用礦物材料控制調節水體中的pH值，例如用方解石、白云石、長(cháng)石等礦物處理酸性水，使之轉變?yōu)橹行运?，其機理為：
CaO+2H+→Ca2++H2O
MgO+2H+→Mg2++H2O
Mg(OH)2+2H2O→Mg2++2H2O
又如用石灰石—氯化鈣法處理不銹鋼酸洗液含F廢水，中和反應時(shí)間為10~20分鐘，pH=7-7.5，廢水中的F可除至10mg/L以下。而利用石英等酸性礦物可處理強堿性水，其機理為：
2（Na，K）(OH)+SiO2→(Na，K)2SiO3+H2O
利用礦物吸附、離子交換以及其它的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行廢水處理是最為常見(jiàn)的對方法，例如利用礦物的荷電性質(zhì)，與水體中具異性電荷或極性分子的污染物膠體或離子發(fā)生凝聚，從而使污染物沉淀，可用作沉淀劑的礦物有明礬石、綠礬、蘇打、生石灰、三水鋁石、高嶺石、蒙脫石等。H.L.Howard（1991年）應用高嶺石、蒙脫石等對城市污水進(jìn)行絮凝方式處理，并使用沸石清除水體中的Ca2+、Mg2+，效果達100%。沸石、蒙脫石、石墨、蛭石、伊利石、綠泥石、高嶺石、坡縷石、海泡石等具有良好吸附性和離子交換性的礦物，可以用于清除廢水中的NH3-N、H2PO4-、HPO42-、PO43-和重金屬陽(yáng)離子Hg2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+、As3+、Ni2+等。海綠石可清除個(gè)鉆井泥漿中的Pb2+。具有天然納米特性的坡縷石對廢水中的金屬陽(yáng)離子及極性有機物陽(yáng)離子（如桃紅）有極強的吸附力。見(jiàn)表1
| |
Cu2+ |
Cr3+ |
Cd3+ |
Zn2+ |
Mn2+ |
Pb2+ |
| Ao |
112.9855 |
99.8244 |
100.1965 |
99.9851 |
99.748 |
11.7227 |
| Ae |
1 |
17.7835 |
38.1001 |
5.4001 |
17.4261 |
26.6864 |
| Ax |
111.9855 |
82.0409 |
62.0964 |
94.5850 |
82.3719 |
85.0363 |
| M |
2.500 |
2.5005 |
2.5006 |
2.500 |
2.5004 |
2.5004 |
| Ax/M |
44.7942 |
32.8098 |
24.8326 |
37.8340 |
32.9235 |
34.0091 |
Ao：原始濃度（×10-6）；Ae：吸附后濾液濃度（×10-6）；加土量（g）；Ax/M：比吸附率；Ax：吸附量
2.3粘土礦物在治理固體廢棄物中的應用
隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展和城市人口的增長(cháng)，環(huán)境保護已成為世界各國極為關(guān)注的主題。目前，在治理“三廢”工程中，由于“三廢”的成分復雜多樣，許多傳統工藝和傳統材料已不適應，治污處理效果差。而特種礦物材料具有獨特的結構和性能，在治理環(huán)境污染上能發(fā)揮獨特的作用。例如，利用稀土、沸石、海泡石、膨潤土、硅藻土等礦物所具有的優(yōu)良的吸附性、離子交換性等物理化學(xué)性質(zhì)，并經(jīng)深加工改性復合制成的環(huán)保礦物材料及其制品，具有獨特優(yōu)良的對水體和氣體除臭、凈化等治廢處理效果，有的甚至可與廢物直接混合，變廢為寶，達到綜合利用的目的，獲得保護生態(tài)環(huán)境和綜合利用的雙重作用。因此，環(huán)保礦物材料是環(huán)保行業(yè)不可缺少的最重要的材料之一。
3.礦物材料的發(fā)展新趨勢
3.1保溫節能礦物材料
隨著(zhù)人口的膨脹和社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的需求越來(lái)越多，而由于能源資源的日趨枯竭及其不可再生性，大力開(kāi)發(fā)高效保溫隔熱等礦物材料則是節約能耗的重要途徑之一。一些應用性能廣泛的諸如膨潤土、硅藻土、珍珠巖和海泡石等礦物經(jīng)膨脹、改性復合后，可成為高強輕質(zhì)的保溫隔熱隔音材料，在冶金、建材等領(lǐng)域獲得廣泛應用；高純超細石英粉不僅是光導纖維、計算機存貯芯片及高清晰顯像管的重要材料，也可制作耐高溫硅酸鈣保溫材料及紅外陶瓷材料等。這些新型的高效節能保溫材料在節能減耗中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，是當今世界各國普遍關(guān)注和加強研究開(kāi)發(fā)的礦物材料之一。
3.2“資源型”環(huán)保礦物材料的發(fā)展趨勢
環(huán)境保護是當今世界普遍關(guān)注的重大問(wèn)題之一。在“三廢”治理中，礦物型環(huán)保材料主要圍繞廢氣、污水的處理而發(fā)展，尋求對被污染的大氣、水質(zhì)和周?chē)h(huán)境治理提供高效凈化和低成本的環(huán)保材料。治理機動(dòng)車(chē)尾氣及內燃機排氣污染是環(huán)保的重要內容。目前，國外應用于汽車(chē)尾氣凈化的催化劑主要采用貴金屬催化劑，其制備工藝比較復雜，生產(chǎn)成本高，難以推廣使用。70年代以來(lái)開(kāi)始進(jìn)行利用天然礦物制作廢氣凈化催化劑的研究，試圖代替價(jià)格昂貴的貴金屬催化劑。我國具有極其豐富的稀土礦產(chǎn)資源，在80年代，我國就首先研制成功了稀土礦物及過(guò)渡金屬礦物型催化劑，試驗表明均具有催化凈化一氧化碳、碳氫化合物的能力，應用于柴油機及工業(yè)金屬催化劑的功能，且比貴金屬催化劑具有更好的抗中毒能力和更強的抗熱性能，生產(chǎn)成本大幅度降低。該催化劑在工業(yè)有機廢氣凈化等領(lǐng)域得到了卓有成效的應用。為簡(jiǎn)化制備催化劑生產(chǎn)工藝和降低生產(chǎn)成本，在90年代開(kāi)展了被稱(chēng)為“資源型催化劑”的研究，利用某些礦物的特性，研制高效價(jià)廉的礦物型催化劑是國內外關(guān)注和研究的重要課題。研究發(fā)現，有許多非金屬礦物具有特殊的表面物理化學(xué)性質(zhì)，對某些氣體組份或溶液中的重金屬離子有明顯的吸附和轉化作用，這些非金屬礦物只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的加工、活化處理即可直接作催化劑應用于環(huán)保中廢氣、廢水的處理。如日本、美國等利用經(jīng)活化加工的海泡石、硅藻土及膨潤土等來(lái)處理重金屬污染廢水;我國也應用酸性膨潤土對含有重金屬的廢水進(jìn)行處理。研究表明，還有一些金屬礦物具有較好的催化特性，并且一般具有較高的強度和硬度，具有良好的耐沖擊、抗振動(dòng)和抗磨損性能。對這些礦物只需適當處理，以簡(jiǎn)易的流程就可制造出適用于石油化工、工業(yè)廢氣或機動(dòng)車(chē)尾氣凈化用的具有良好性能的催化劑。目前，我們利用褐鐵礦、鈦鐵礦、氧化錳礦等礦物經(jīng)適當活化處理作機動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑的初步研究，探索結果令人鼓舞。開(kāi)發(fā)“資源型”環(huán)保礦物材料既可擴大礦物資源的綜合利用，又可大幅度降低治理環(huán)境污染成本，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，這將是今后具有良好應用前景的研究發(fā)展方向。
3.3粘土礦物的研究發(fā)展方向
除少數礦物如石棉外大多數天然產(chǎn)出的礦物材料基于其不同的性能在不同領(lǐng)域起著(zhù)環(huán)境保護和環(huán)境治理的作用，它們皆可認為是無(wú)機非金屬環(huán)境礦物材料。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對環(huán)境條件要求的提高，環(huán)境礦物材料的應用將愈來(lái)愈廣，其作用愈來(lái)愈重要，例如在節能保溫材料方面、在降噪隔聲方面、在無(wú)形磁波污染控制方面、在自然災害防治方面、在太陽(yáng)能材料應用方面、在傳動(dòng)系統減震方面、在新型抗菌材料方面、在人體健康材料方面等都起著(zhù)不可缺少、甚至不可替代的作用。由此要求無(wú)機非金屬環(huán)境礦物材料的研究更加深入，應加強以下方面的研究：
①研究礦物材料的成分、結構和性能之間的相互關(guān)系。
②研究礦物材料在外界作用力下的成分、結構和物化性能變化及變化規律。
③研究礦物材料的深加工、處理方法，包括礦石提純和改性
④研究礦物材料的自然形成條件及工合成方法和技術(shù)參數
⑤研究設計和制備新的礦物材料
⑥研究礦物材料的應用技術(shù)和應用方法
楊飛華，姜志剛，鄭學(xué)松（北京市建材科學(xué)研究院北京100041）
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