粘土矿物在环境保护中的应用研究Word文档格式.docx
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2.1.1工业废气治理
工业废气是我国大气污染的主要来源，仅建筑材料的生产每年排出废气10.96亿立方米;
废水排放量355亿吨;
其中水泥、与传统墙体材料等每年排放的CO2量约为6.6亿吨,占全国工业排放CO2量的40%左右。
据资料介绍,我国目前每生产一吨水泥熟料要排放1吨CO2、0.74公斤SO2、130公斤粉尘；
每生产1吨石灰排放1.18吨CO2。
由于有害气体多为酸酐，大部分能溶于水，因而可用呈碱性的矿物与酸酐发生中和，从而吸收酸酐，达到清除废气的目的。
石灰石（方解石）、生石灰、方镁石、水镁石、坡缕石等均属此类矿物材料，如日本用方镁石、水镁石吸收SO2、SO3废气：
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进行烟道干法脱硫的方法。
在T=820～1370K下，用粒度为0.1～2mm的石灰石或生石灰，对SO20.1～1%（体积百分比）的烟气作脱硫处理，停留时间为30秒至6小时，生石灰对废气的吸收容量可达50%。
S.Dicter（1987年）用TiO2和过渡族元素催化剂（如钒的氧化物），采用还原法，将NOx转化为N2和H2O，反应温度为350℃左右。
张长剑（1981年）将石盐添加进煤和石灰石的沸腾炉内可降低有害气体生成量，因为NaCl能有效地提高石灰石活性，使炉内废气排出量明显减少，降低石灰石消耗量达50%。
对于不溶于水的酸酐，可先转化为溶于水的酸酐，再用上述方法处理，此外利用粘土矿物，沸石以及改型后的多孔状矿物作吸附剂也可排除有害气体，净化环境。
如斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、毛沸石、坡缕石、海泡石、膨润土、高岭石、多孔SiO2、活性Al2O3、白云石、泥炭、硅藻土等。
2.1.2城市空气治理
城市空气污染主要来源于汽车尾气的排放,其中包括NOx、金属排放物，如Pb等排放，随着现代大中城市之无铅汽油的使用，由汽车排放的铅金属阳离子的危害大为减少，同时三元催化油的使用与使得汽油的燃烧NOx排放量的显著减少。
以青石为主体的三元催化剂载体得到了广泛的应用。
青石为环状结构含铝硅酸盐。
四面体中存在着[ALO4]对[SiO4]置换以及配位多面体中金属阳离子的类质同像置换，活性强，同时具有极好的高温热稳定性。
日本近来利用高温热稳定性好，同时吸附能力强的海泡石制作高效汽车尾气净化器，由于汽车排放气体有害万分主要为NOx，以纳米质多孔石或锐钛石为主要成分的光触媒净化涂料得到广泛应用。
2.1.3室内空气污染
室内空气污染及治理是当前的热门研究课题，也是百姓关注的重要话题。
随着家庭装饰装修材料主要是人工合成材料高分子材料使用的增多，不仅引出了短时间的空气污染，同时带来长久的潜在隐患。
短期的空气污染主要表现在甲醛、氨、苯等早期释放强浓度的危害。
空气中甲醛（HCHO）超标对人体的危害是非常严重的，并且这种危害具有长期性、潜伏性、隐敝性，严重的会引鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。
甲醛可经呼吸道吸入，其不溶液“福乐马林”可经消化道吸收。
当空气中含量达到30mg/m3时，可导致人当即死亡。
氨是冬季混凝土施工外加剂的释放物。
国家规定居住区的安全氨浓度为小于0.2mg/m3。
氨浓度过高时，除皮肤腐蚀作用外，还可通过三叉神经末梢的反射作用引起心脏停搏和呼吸停止。
氨以气体形式吸入人体肺后，容易通过肺细胞进入血液与血红蛋白结合，破坏运氧功能。
氡是建筑材料，如砂、石、砖、地下土壤中放射性物质形成的无色无味的天然放射性气体。
因此高反射性建筑材料是导致氡的主要物源。
这些物质可能包括放射性超标的花岗岩石材，具反射性矿渣、煤渣混凝土砌块或粉煤灰砌块，也可以来自高放射性背景区的高温烧制材料如瓷砖等。
氡作用于人体可导致人体的造血器官、生殖系统、神经系统和消化系统的损伤，同时会很快衰变成人体能吸收的核素，进入人的呼吸系统造成辐射损伤。
以锐钛矿型纳米TiO2光触媒净化器已有效于应用于室内空气净化，其作用机理为在紫外光照射下，TiO2表面生成空穴（h+）同时生成电子（e-）空穴使H2O氧化，（e-）使空气中的O2还原。
H2O+h+→·
OH+H+
O2+e-→O2-
·
OH基团的氧化能力很强，对有机物以及甲醛、萘、苯酚等进行氧化分解，最终生成CO2和水，及NH3·
OH。
并对病菌及其分泌物毒素均有较强的杀灭和降解作用。
以沸石、坡缕石、海泡石多孔结构为载体的载银无机抗菌剂也产生相似的作用和效果。
坡缕石、海泡石为天然的纳米纤维矿物材料，其单晶纤维直径仅0.03-0.08μm即30-80nm.径长比大于1:
100—1:
1000。
基于其特有的沸石孔道结构、晶体表面生长缺陷的发育和纳米级尺寸效应，经充分分散处理后的海泡石、坡缕石具有大于300m2/g的比表面积和超强吸附性。
以纤维状坡缕石、海泡石制作的环保型特种多功能纸不仅具有难燃、阻燃效果，而且有效的吸附室内空气中的氮氧化物（NOx）和有害极性气体，应用于空气净化超细滤膜纸，由于海泡石、坡缕石的强防辐射屏蔽性，其壁纸材料可有效防止建筑墙体氡气的析出。
2．2粘土矿物在治理水污染中的应用
废水通常包括工业废水和生活废水两种，工业废水的污染性视其来源不同而表现出不同的污度和有害成分，无机物废水、有机物废水和反射性废水。
前一种可以通过简单的净化处理达到效果，而后两种，特别是含有酚、氰化物和重金属离子（如镉、铅、铬、汞、砷）对人类的生活和生存有着极大的危害生活废水一般不含有毒物质，但含有大量细菌和病原体，
我国水资源量为28000亿m3（其中地下水为8000亿m3），居世界第六位，但人均占水量居世界第88位，全国每天缺水2000万吨，水资源危机日益突出。
由于工业废物的产生，使得大部分城市的地下水受到不同程度的污染，重金属离子、有机化合物及一些亚硝酸盐在水中的含量大大超出了所规定的标准。
因而防止水污染以及对废水、污水进行净化处理，是充分利用水资源、保护水资源的重要途径，同时对于人类的健康提供了必要的条件。
前人进行了金属矿物的废水处理，如软锰矿可以用于处理酸性含As废水，磁铁矿可除去废水有颜色、混浊物和铁、铝等，当pH值为2～9时，磁铁矿除As可达99%，在合适的pH值范围内，经硫铁矿处理的水中，As≤0.05mg/L，达到了饮用水的标准。
用天然黄铁矿清除Cu2+、Cd2+、Pb2+、As3+、As5+、Cr6+,效果可达98%，.
采用矿物材料处理废水、污水的方法，目前主要有过滤、中和、混凝沉淀、离子交换和吸附等方法，用于过滤方法的矿物材料主要是矿物砂，这对矿物材料的要求主要是：
在水中稳定，即不溶解、不电离、不与水发生反应，并保持中性。
同时为了除去水中固体微粒等杂质，对过滤所用的矿物砂的粒度、圆度及级配都有一定的要求，常用矿物有石英、钛铁矿、重晶石、石榴石、多孔SiO2、硅藻土等，板柱状矿物和片状矿物不宜单独用作过滤矿物砂。
利用矿物材料控制调节水体中的pH值，例如用方解石、白云石、长石等矿物处理酸性水，使之转变为中性水，其机理为：
CaO+2H+→Ca2++H2O
MgO+2H+→Mg2++H2O
Mg（OH）2+2H2O→Mg2++2H2O
又如用石灰石—氯化钙法处理不锈钢酸洗液含F废水，中和反应时间为10-20分钟，pH=7-7.5，废水中的F可除至10mg/L以下。
而利用石英等酸性矿物可处理强碱性水，其机理为：
2（Na,K）（OH）+SiO2→（Na,K）2SiO3+H2O
利用矿物吸附、离子交换以及其它的物理化学性质进行废水处理是最为常见的对方法，例如利用矿物的荷电性质，与水体中具异性电荷或极性分子的污染物胶体或离子发生凝聚，从而使污染物沉淀，可用作沉淀剂的矿物有明矾石、绿矾、苏打、生石灰、三水铝石、高岭石、蒙脱石等。
H.L.Howard（1991年）应用高岭石、蒙脱石等对城市污水进行絮凝方式处理，并使用沸石清除水体中的Ca2+、Mg2+，效果达100%。
沸石、蒙脱石、石墨、蛭石、伊利石、绿泥石、高岭石、坡缕石、海泡石等具有良好吸附性和离子交换性的矿物，可以用于清除废水中的NH3-N、H2PO4-、HPO42-、PO43-和重金属阳离子Hg2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+、As3+、Ni2+等。
海绿石可清除个钻井泥浆中的Pb2+。
具有天然纳米特性的坡缕石对废水中的金属阳离子及极性有机物阳离子（如桃红）有极强的吸附力。
见表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
2.5004
Ax/M
44.7942
32.8098
24.8326
37.8340
32.9235
34.0091
Ao：
原始浓度（×
10-6）；
Ae：
吸附后滤液浓度（×
加土量（g）；
Ax/M：
比吸附率；
Ax：
吸附量
2。
3粘土矿物在治理固体废弃物中的应用
随着工业的发展和城市人口的增长,环境保护已成为世界各国极为关注的主题。
目前,在治理“三废”工程中,由于“三废”的成分复杂多样,许多传统工艺和传统材料已不适应,治污处理效果差。
而特种矿物材料具有独特的结构和性能,在治理环境污染上能发挥独特的作用。
例如,利用稀土、沸石、海泡石、膨润土、硅藻土等矿物所具有的优良的吸附性、离子交换性等物理化学性质,并经深加工改性复合制成的环保矿物材料及其制品,具有独特优良的对水体和气体除臭、净化等治废处理效果,有的甚至可与废物直接混合,变废为宝,达到综合利用的目的,获得保护生态环境和综合利用的双重作用。
因此,环保矿物材料是环保行业不可缺少的最重要的材料之一。
保温节能矿物材料
随着人口的膨胀和社会经济的发展,对能源的需求越来越多,而由于能源资源的日趋枯竭及其不可再生性,大力开发高效保温隔热等矿物材料则是节约能耗的重要途径之一。
一些应用性能广泛的诸如膨润土、硅藻土、珍珠岩和海泡石等矿物经膨胀、改性复合后,可成为高强轻质的保温隔热隔音材料,在冶金、建材等领域获得广泛应用;
高纯超细石英粉不仅是光导纤维、计算机存贮芯片及高清晰显像管的重要材料,也可制作耐高温硅酸钙保温材料及红外陶瓷材料等。
这些新型的高效节能保温材料在节能减耗中发挥着重要的作用,是当今世界各国普遍关注和加强研究开发的矿物材料之一。
3 特种矿物材料的发展新趋势
“资源型”环保矿物材料的发展趋势
环境保护是当今世界普遍关注的重大问题之一。
在“三废”治理中,矿物型环保材料主要围绕废气、污水的处理而发展,寻求对被污染的大气、水质和周围环境治理提供高效净化和低成本的环保材料。
治理机动车尾气及内燃机排气污染是环保的重要内容。
目前,国外应用于汽车尾气净化的催化剂主要采用贵金属催化剂,其制备工艺比较复杂,生产成本高,难以推广使用。
70年代以来开始进行利用天然矿物制作废气净化催化剂的研究,试图代替价格昂贵的贵金属催化剂。
我国具有极其丰富的稀土矿产资源,在80年代,我国就首先研制成功了稀土矿物及过渡金属矿物型催化剂,试验表明均具有催化净化一氧化碳、碳氢化合物的能力,应用于柴油机及工业金属催化剂的功能,且比贵金属催化剂具有更好的抗中毒能力和更强的抗热性能,生产成本大幅度降低。
该催化剂在工业有机废气净化等领域得到了卓有成效的应用。
为简化制备催化剂生产工艺和降低生产成本,在90年代开展了被称为“资源型催化剂”的研究,利用某些矿物的特性,研制高效价廉的矿物型催化剂是国内外关注和研究的重要课题。
研究发现,有许多非金属矿物具有特殊的表面物理化学性质,对某些气体组份或溶液中的重金属离子有明显的吸附和转化作用,这些非金属矿物只要经过简易的加工、活化处理即可直接作催化剂应用于环保中废气、废水的处理。
如日本、美国等利用经活化加工的海泡石、硅藻土及膨润土等来处理重金属污染废水;
我国也应用酸性膨润土对含有重金属的废水进行处理。
研究表明,还有一些金属矿物具有较好的催化特性,并且一般具有较高的强度和硬度,具有良好的耐冲击、抗振动和抗磨损性能。
对这些矿物只需适当处理,以简易的流程就可制造出适用于石油化工、工业废气或机动车尾气净化用的具有良好性能的催化剂。
目前,我们利用褐铁矿、钛铁矿、氧化锰矿等矿物经适当活化处理作机动车尾气净化催化剂的初步研究,探索结果令人鼓舞。
开发“资源型”环保矿物材料既可扩大矿物资源的综合利用,又可大幅度降低治理环境污染成本,产生明显的经济效益和社会效益,这将是今后具有良好应用前景的研究发展方向。
固体废物主要指工业废物、矿业废物和城市生活废物等。
目前对于固体废弃物有三种处理方式：
即再生利用、焚烧、填埋。
工业废渣多数为可利用的二次资源，如粉煤灰、冶金渣、煤矸石、尾矿等。
这些固体废弃物，通过二次加工烧成可制成新型建筑材料如混凝土外加剂用超细矿粉、微晶玻璃等。
而另一部分废弃物则须通过填埋式的处理，特别是含放射性元素的固体废弃物。
生活垃圾填埋目前技术条件下，我国生活垃圾的处理主要采用填埋法处理，垃圾填埋场的建造，最关键要求是防止垃圾物、腐植物、重金属离子以及有害有机物质渗入地下水中产生二次污水下渗，从而污染地下水水源，为了达到此点，除了采用无污染、无害的防渗透建筑材料外，还要求在其底部及四周铺垫强吸附层、离子交换性的粘土矿物和隔水性粘土层一层，后者材料主要为膨润土、土状海泡石和坡缕石。
放射性固体废弃物的填埋对于固体废弃物来说，其中最危险的是固体废弃物中含有的放射性元素。
但对于固体废弃物中的放射性元素，必须加以屏蔽，而其中的重金属离子及有毒害的有机物分子也必须加以综合处理。
对于含放射性元素的固体废弃物可以用矿物材料及改型的矿物材料来处理，如用兰石棉、玻璃纤维、人造有机纤维、坡缕石、海泡石纤维纸制品等一些高吸附性材料来吸附、过滤放射性气体和空气中具有放射性的尘埃；
利用沸石、海泡石、坡缕石等矿物净化被放射性物质污染的水体。
“矿物固化法”是放射性固体废弃物处理的十分重要的行之有效方法，如硼砂、磷灰石、石英混合料在1000℃以上熔化后，可制成耐辐射的稳定玻璃体；
沸石加热发泡、熔化、可固化核废料。
坡缕石、海泡石也是辐射屏蔽的密封材料。
3．粘土矿物的研究发展方向
除少数矿物如石棉外大多数天然产出的矿物材料基于其不同的性能在不同领域起着环境保护和环境治理的作用，它们皆可认为是无机非金属环境矿物材料。
随着科学技术的进步，人们对环境条件要求的提高，环境矿物材料的应用将愈来愈广，其作用愈来愈重要，例如在节能保温材料方面、在降噪隔声方面、在无形磁波污染控制方面、在自然灾害防治方面、在太阳能材料应用方面、在传动系统减震方面、在新型抗菌材料方面、在人体健康材料方面等都起着不可缺少、甚至不可替代的作用。
由此要求无机非金属环境矿物材料的研究更加深入，应加强以下方面的研究：
1研究矿物材料的成分、结构和性能之间的相互关系。
2研究矿物材料在外界作用力下的成分、结构和物化性能变化及变化规律。
3研究矿物材料的深加工、处理方法，包括矿石提纯和改性
4研究矿物材料的自然形成条件及工合成方法和技术参数
5研究设计和制备新的矿物材料
6研究矿物材料的应用技术和应用方法。
参考文献
1.郑自立等，中国坡缕石地质出版社，1997
2.郑和平等，铅和镉在粘土衬层中渗透迁移、转化的研究，《环境科学研究》1997Vol.10No.4
3.高杉晋吾（日）著周北海译，《工业固体废物》中国环境科学出版社，1998
4.彭勇军等，利用膨润土吸附生臭有机物性能研究，《矿产保护与利用》，1998No.4
5.胡宏杰等，沸石分子筛的制备及应用，《矿产保护与利用》，1998No.5
6.黄万抚等，非金属矿物材料的改性研究，《矿产保护与利用》，1998No.2
7.徐文析，矿物材料研究现状及发展前景，《矿产与地质》1999No.1
8.李艺，特种矿物材料的应用与发展，《矿产综合利用》2001No.3
膨润土——天然纳米材料在环保和荒漠化治理中的应用
一、前言
一般把分子粒径小于等于1～100nm（即10－９～10－7m）的材料称为纳米材料。
膨润土的矿物学名称是蒙脱石，其分子粒径为10－１１～10－９m，是纳米级的，是亿万年前天然形成的。
国外把膨润土称为天然纳米材料，万用粘土。
膨润土的万种用途取决于其矿物特性，一般膨润土都具有良好的粘结性、膨胀性、胶体分散性、悬浮性、吸附性、催化活性、触变性和阳离子交换性等。
膨润土的膨胀力特强，其原因是膨润土具有物理化学性强，结合水的能力强等特性，通常在与水接触24h开始水化，膨胀4～5倍，48h水化完成，变成原来颗粒体积的10～15倍甚至30倍的凝胶体。
其渗透率可减至10－１１cm／s。
我国的膨润土资源极为丰富，遍布26个省市，储量世界第一，但开发应用的极少。
我国的膨润土品质优良，性能与美国怀俄明州的一样，我国新疆的膨润土有的性能优于美国，膨润土除可用于防水材料外，还可用于沙漠化治理、污水处理、生物给养、食品、药品、纺织、轻工、石油、冶金等各行业。
用我国膨润土制成的纳米防水毯、板及附属产品已通过建设部科技发展促进中心织织的专家技术鉴定，产品可供国内外广泛应用。
二、膨润土在环境保护中的应用
环境保护是当今生态环境首要课题。
膨润土在环保中的应用在国内外已相当广泛。
膨润土作为有害物质吸附剂，作为浑浊水的澄清剂，放射性废料和有毒物料的密封剂，被污染水的防水剂、污水处理剂、洗涤助剂等，但我国开发研究应用的较少。
1．膨润土在废料处理方面的应用
（1）用天然钠基膨润土做垃圾填埋场的防渗层
国外用膨润土毯（板）、粉做垃圾填埋场防渗层的很多，尤其是德国、韩国、日本、美国，我国也已开始使用。
因膨润土具有高度的水密实性和自我修补、复元功能，在理论上是接近完美的防渗材料。
2002年世界足球杯的赛场就在一个特大的垃圾填埋场上建成，其上下四周全部用膨润土毯做防渗层。
而韩国15年前所建的填埋场所用防渗材料与我国以前建的填埋场一样，防渗材料的耐久性差，有的严重污染地下水，要修复这些防渗层，杜绝渗漏，需花原造价5倍的代价。
（2）用膨润土进行核废料处理和消毒防护国内外都有将核电站等放射性废料用膨润土稠浆包裹后装入容器深埋地下的做法，效果较好。
国外用膨润土制备毒剂防护的消毒急救包，有广泛的用途。
2．膨润土在废水废油处理中的应用
（1）膨润土在处理煤气洗涤废水中的应用用膨润土处理印染废水、煤气洗涤废水、味精等废水、废物去除率达99．5％。
有的处理了废水后再把回收物做成饲料添加剂，一举两得。
（2）用膨润土作动物垫圈料处理废水、臭气由于环境卫生方面的要求，在国外特别是在欧州，膨润土作为宠物垫圈料的用量很大，且增长较快，它能使动物粪便容易分散、清理。
国内大城市的需求量也有提高。
由于圈养动物场和屠宰场、水产加工场产生的污水、臭气对环境有害，可在这些场所撒膨润土，回收高效肥料，有一举两得之效。
（3）用膨润土处理、吸附废油用膨润土处理快餐中的煎炸废油、油污十分有效。
用膨润土吸附电力行业绝缘油在国外很盛行。
海上油船泄漏的油浮在海面上为害很大，国外是在其上撒吸附剂后结块清除，膨润土是很好的吸附剂。
（4）用膨润土做洗涤用品用膨润土洗涤羊毛等在古罗马、古埃及公元前3000年已开始，现代洗涤剂掺入一定量的膨润土，可增加其洗洁力度。
三、膨润土在废气处理中的应用
（1）用膨润土处理有害气体国外用膨润土制成汽车排汽管、过滤器，主要是充分利用膨润土的吸附性。
（2）用膨润土制作卷烟复合过滤剂用膨润土代替活性炭可降低卷烟中含有的焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害。
4．膨润土在软水剂、澄清剂中的应用
（1）在水库上游撒膨润土可使水库不洁物质絮凝沉入库底经生物净化加以处理，同时也可使水库漏水得到根治。
因为膨润土能修复库底裂缝。
（2）膨润土可使果汁、糖汁澄清。
（3）膨润土可使硬水
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