无机非金属环境材料.docx

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无机非金属环境材料

非金属矿物环境材料的研究进展

应化11221130109203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-metallicmineralenvironmentmaterialisticalprogress

Abstract:

ThispaperdiscussesthematerialstructureandperformancecharacteristicsoftheNon-metallicmineralenvironmentalfunctionalmaterials,andtheNon-metallicmineralmaterialprogressinthefieldofenvironmentalprotectionofthewastewater,wastegas,solidwaste,radioactivepollutioncontrol,ecologicalrestoration,ecologicalbuildingmaterials,andpointsoutthenon-metallicmineralsshouldstrengthenbasicresearchandappliedresearchandtostrengthenthedevelopmentandproductionofnon-metallicmineralandenvironmentalmaterials.

Keyword：

Non-metallicminerals,EnvironmentalMaterials,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、Al2O3、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500～1000m2/g，海泡石的比表面积50～150m2/g，凹凸棒石的比表面积30～40m2/g,硅藻土的比表面积20~100m2/g，蒙脱石的比表面积100m2[4]以上。

（4）离子交换性，如膨润土、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3～6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，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。

OrhanOzdemir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，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。

常见的钾长石晶体中孔径长为0.550nm，孔径宽为0.385nm[14]。

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