非金屬礦物材料有望在6大環境污染治理方面大展身手！

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    隨著人類環保意識的增強和全球環保標準及要求的提高，環保產業將成為非常具有前景的新興產業之一。而許多非金屬礦物材料，如碳酸鈣、石英、高嶺土、滑石、硅藻土、沸石、膨潤土、凹凸棒石、海泡石等經過加工（提純、表面處理和復合）后，具有選擇性吸附有害及各種有機和無機污染物的功能，且原料易得，本身不產生二次污染，有望在環境污染治理方面大展身手。

    地表水體污染是目前環境污染中令人擔憂的問題，地下水高氟、高砷、重金屬離子的污染水質亟待改善，儲量較大的微咸水也未得到有效治理與利用。這項量多面廣的區域性水治理改善工程不是一般性環境污染治理技術所能支撐的。

    成本低廉的天然礦物材料對各種污染物具有自凈化作用，可以用來規模治污。許多國家尤其是發達國家對非金屬礦物在污水治理中的應用非常重視，如蒙脫石、累托石、海泡石、沸石、硅灰石、電氣石、硅藻土、方解石、磷灰石等，在水體污染治理中得到了不同程度的利用。

    （1）水中重金屬離子的處理

    蒙脫石、海泡石等粘土礦物具有較大的比表面積和離子交換容量，吸附性能較好，對廢水中重金屬離子的吸附處理有著特殊的功效。

    研究表明：鈉基蒙脫石對處理電鍍廢水非常有效；若蒙脫石與聚合氯化鋁交聯處理廢水中的Hg2+、Cd2+、Cr3+，去除率可達93%，并提高固液分離速度。

    用NH4+Fe（SO4）2改性后的海泡石對Cr6+的去除效果很好；酸改性后的海泡石加熱后，對Co2+有很好的吸附作用。

    （2）水中有機污染物的處理

    由于天然粘土礦物存在大量可交換的親水性無機陽離子，使實際粘土表面常存在一層薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有機污染物。這時需要對粘土礦物進行有機物改性，通常采用有機陽離子，通過離子交換，把粘土礦物中原先存在的無機陽離子置換出來，使其成為疏水性有機粘土，這樣增加了粘土礦物中有機質含量，增強了去除疏水性有機污染物的能力。

    將天然膨潤土鈉化后再進行無機聚合，能大幅提高膨潤土對有機污染物的脫色去污能力，用它處理印染廢水，COD去除率可達85%以上。

    海泡石同時存在著位于硅酸鹽“外表面”的硅烷醇基團形成的中性吸附位和用低價金屬離子替代Si4+形成的負電吸附位，這兩種位置在海泡石上的分布使得它對中性有機分子或有機陽離子有很強的吸附能力。海泡石不僅可用來吸附有機陽離子，近年來也有人嘗試用它來吸附有機陰離子，并取得了很好的效果。

   （3）水中無機污染物的處理

    非金屬礦物對水中的無機污染物也能有很好的處理作用。利用海泡石與氯化鎂等無機物在適當條件下反應而研制成的新型復合吸附劑經過1%的HCl改性后能較好的吸附廢水中的磷，去除率在98%以上。

    柱撐蒙脫石具有很強的吸附硫酸根離子的能力，且pH在4-5范圍時，硫酸根離子去除效果最好。

    除了治理廢水，非金屬礦物還可以改造水質。西沙群島飲用水就是用當地含沸石的火山角礫巖處理后，排除海水中的有機質，降低礦化度，減少氨離子和硝酸根，成為標準飲用水的。

    我國某些干旱、半干旱地區地下氟含量偏高，導致“斑釉病”、“氟骨病”地方病發生。浙江地礦廳專家將縉云沸石經加工破碎、裝柱、活化、水洗、明礬溶液處理后，在除氟器內處理義烏徐村氟含量高達22mg/L的井水，除氟效果明顯，水質達國家飲用水標準。

    （1）工業廢氣治理

    美國聯合碳化物公司用人工合成沸石回收SO2，含量由3500μL/L下降至15-25μL/L，回收率達99%。

    我國杭州硫酸廠排放的尾氣中含SO20.2%-0.5%，用改型縉云沸石吸附處理后，SO

    2僅含20-100μL/L，吸附的SO2解吸后，可回收重新使用。

    （2）燃煤污染治理

    治理燃煤污染，使用的固硫劑是一些含鈣、鎂、鋁、鐵、硅和鈉的物相，由于在高溫下形成的硫酸鹽易分解，降低了固硫率。可以通過研究某些高溫下形成疏松孔道結構的環境礦物材料作為固硫添加劑，營造燃煤內部氧化氣氛，有效地阻止硫酸鹽分解。

    膨潤土在高溫下失去層間水，形成疏松孔道結構，吸附硫化反應產物硫酸鹽，同時激活自身層間固硫離子如鈣、鎂等，有利于促進固硫反應。

    研究表明，蛭石尾礦具有良好的固硫效果，其固硫活性因燃燒溫度而異，在950℃和1050℃時，膨脹性能好、活性強。蛭石尾砂在型煤燃燒過程中膨脹產生的疏松結構，不僅能提高燃煤固硫效率，還能為煤中碳質成分的充分燃燒創造條件，降低煤炭因不完全燃燒而形成的碳質飛灰，明顯減少煙塵污染。

   （3）城市空氣治理

    青石為環狀結構含鋁硅酸鹽，其四面體中存在著[AlO4]對[SiO4]的置換以及配位多面體中金屬陽離子的類質同象置換，活性強，同時具有極好的高溫熱穩定性，以青石為主體的三元催化劑載體得到了廣泛的應用。

    利用低白度滑石研制出新型多微孔陶瓷專用微細粉，對尾氣凈化率達至98%以上，并且使用效果不會隨時間下降。這為根治汽車尾氣的工作找到了一種良好的方法。

    國外近來利用高溫熱穩定性好同時吸附能力強的海泡石制作高效汽車尾氣凈化器，國外用粘土礦物制成汽車排氣管、過濾器，主要是充分利用粘土礦物的吸附性。

    用粘土礦物代替活性炭還可降低卷煙中含有的焦油、自由基、尼古丁等對人體的危害。

    （4）室內空氣污染治理

    室內空氣污染及治理是當前的熱門研究課題，對于甲醛、氨等污染物，以沸石、坡縷石、海泡石、膨潤土、累托石等粘土礦物為載體的載銀無機抗菌劑可以起到良好的作用效果。

    目前開發的以多孔結構粘土礦物為載體的無機抗菌劑已成功應用于室內空氣凈化，并對病菌及其分泌物毒素均有較強的殺滅和降解作用。

    （1）固廢的二次資源化

    大多數工業廢渣為可利用的二次資源，如爐渣、粉煤灰、冶金渣、煤矸石、尾礦、赤泥等。這些廢棄物的礦物組成絕大部分是非金屬礦物，對于此類污染物的治理主要是使其二次資源化。例如煤矸石，其成分與粘土相似，可用以生產磚瓦、水泥、輕骨料、砌筑砂漿；含碳量很低的煤矸石可用于生產陶瓷、耐火材料等。

    研究表明：以煤矸石、高嶺石、膨潤土為主要原料，可合成沸石，用以代替傳統洗滌劑中的三聚磷酸鈉以減少環境污染，成為洗滌劑發展的趨勢。

    （2）垃圾填埋場防滲

    膨潤土因其良好的流變性、保水性、離子交換性、耐久性、無二次污染等特性及相對低廉的生產成本使其成為垃圾填埋場防滲濾的優選材料。用膨潤土毯作垃圾填埋場防滲層的部分工程實例有：上海嘉定工業垃圾填埋場、北京門頭溝市政固體廢料填埋場、香港WENT市政固體廢料綜合處理廠等。

    另外，傳統的膨潤土防滲材料屬于鈉基改性產物，只能防止水體和無機物滲漏，卻不能防止有機物滲漏。若將天然蒙脫石改性制成有機蒙脫石后，可以提高蒙脫石表面的疏水性，從而達到有效吸附疏水性有機污染物的目的。

    更有研究者，提出直接利用中國資源量巨大的天然鈣基膨潤土與工業純長碳鏈季銨鹽有機陽離子進行離子交換反應，革新了傳統工藝中只能利用工業產品鈉基蒙脫石與試劑純長碳鏈季銨鹽有機陽離子進行離子交換反應而制備有機粘土技術，降低了有機粘土的制各成本。可替代進口防滲材料，用于生活垃圾和危險廢物填埋場襯層建造工程。

    目前，大多數國家初步選擇凝灰巖和花崗巖作為具有天然屏障功能的處置庫圍巖。

    天然沸石有很強的耐核子裂變幅射的能力，對137Cs、90Cr有高選擇性交換功能，美國愛達州Arco國家反應堆試驗站用裝有粒狀斜發沸石的鋼桶作為半衰期分別為25年、35年的90Cr和137Cs的離子交換柱，當交換達到桶的容量時，將其掩埋。

    研究認為：長石類礦物中硅氧四面體在三維空間作架狀連接，可以形成較大的空隙與孔道，水分子能夠進入其中，與水分子大小相當的典型高放射性核素原子半徑，比起長石類礦物孔道中存在的K、Na、Ca還要小。有理由認為，既然水分子與堿金屬離子能夠進入長石類礦物孔道，大小相當而活性更強的放射性核素無疑更容易進入長石類礦物孔道。正是凝灰巖與花崗巖中長石類礦物發育有良好的孔道結構，可使核素進入孔道，能夠有效阻滯核素遷移而成為天然屏障。

    一些粘土礦物材料能吸附比自身重量大得多的水分，具有獨特的水土保持功能。例如，膨潤土水化后，體積迅速膨脹至凝膠體，滲透率大大降低，而且膨潤土具有良好的抗凍性、壓縮性、固節性，對沙土的穩定性、密實性、自保水性、永久性等，具有明顯的效果，所有這些特性使其成為沙漠化治理的理想材料之一，而且將植被種子與水、膨潤土攪拌后，可提高種子在沙性土壤中的出芽率和成活率，改善沙漠化地區的生態環境。

    非金屬礦產品具有一系列優異性能，是研究、開發和生產生態建材不可缺少的重要原材料。采用硅灰石作為陶瓷原料時，可使陶瓷制品的素燒溫度從1280℃降低至1090℃，釉燒溫度從1170℃降低至1050℃，素燒時間從50h減少至18h，從而節省能耗30-40%。

    另外，一些非金屬礦物和巖石，如沸石、硅藻土、石鹽、石膏、滑石、方解石、白云母、水鎂石、蛇紋石、雄黃、雌黃、硼砂、辰砂、明礬石、麥飯石等，具有吸附有害物質的功能，是研究、開發和生產保健型生態建材的重要原材料。例如，硅灰石質的純天然無機涂料具有發熒光、抗靜電、消毒、除臭、凈化空氣等功能。瑞典研究的一種硅藻土涂料，能吸附帶臭味的分子，而這些分子難以靠通風來排除，從而達到凈化空氣的目的。

    近5年來，我國用于環境保護的總投資已超過4900億元。這既說明我國政府對環境保護的重視，又表明了環保市場的巨大。

    2017年10月30日，工信部印發的《產業關鍵共性技術發展指南（2017年）》明確將“用于工業廢水處理的礦物功能材料深加工技術”列為對行業有重要影響和瓶頸制約、短期內亟待解決并能夠取得突破的產業關鍵共性技術。

    其主要技術內容：膨潤土等礦物功能材料的改性、改型技術；增加礦物功能材料比表面積、調整表面電荷等技術；礦物功能材料在工業廢水處理中的應用技術。

    2018年1月2日，科技部、工信部、國土資源部、環保部、住房城鄉建設部、農業部聯合組織編制了《土壤污染防治先進技術裝備目錄》，供各類企業、財政投資或產業技術資金、各類土壤污染防治領域的公益、私募基金及風險投資機構等用戶在土壤污染防治技術升級改造和投資時參考。該目錄納入了“基于天然礦物混合材料的重金屬污染場地穩定化技術”等15項土壤污染防治先進技術。

    相對于非金屬礦在其它領域的應用而言，環保污染治理還是一個新領域，可以說非金屬礦物材料的開發利用是非金屬礦工業發展的新方向和新經濟增長點之一。

    相信在今后十年內，非金屬礦在環保領域中的應用必將保持快速增長，預計年均增長率在15%左右。

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