粘土矿物在环境保护中的应用研究

粘土矿物在环境保护中的应用黏土的用途黏土1．粘土矿物材料的研究现状人类社会的发展史就是人们利用矿物材料的文明史。随着科学技术的发展和工业化程度的不断提高，许多金属材料的性能已不能适应高强、高速、高温、轻质、绝缘、耐腐蚀等方面的要求，因而非金属矿物材料的发展十分迅速，如美国汽车工业中轿车钢铁构件已由占81%降为61%，采用由非金属材料制成的构件大大减轻了车重，节约了钢材；发达国家一些原来从事钢铁、造船等行业的研究已转向新型材料及新型陶瓷的研究。同时，伴随着矿物材料的深加工技术的发展，矿物材料的利用价值和应用领域不断提高，如散装膨润土30美元/吨，而有机膨润土2400-3600美元/吨；重晶石散装未碎者40美元/吨，而药物级达2560美元/吨；石墨原矿500美元/吨，石墨密封材料7000美元/吨，而石墨乳10000美元/吨。近年来无机非金属矿物材料在环境保护中的应用不断加强，使矿物材料成为治理、修复环境污染的环境材料。新型材料是发展高新技术产业的重要支柱之一,随着材料结构向多元化、功能化、智能化发展,矿物材料已成为现代材料科学的重要组成部份。传统的或一般的矿物材料的应用是直接利用矿物(包括部分岩石)本身所具有的物理化学性质和工艺特性,而且只作为单一性能或低性能的一般材料来应用。如陶瓷矿物材料、建筑矿物材料、化工矿物材料和冶金辅助矿物材料等,这种传统的矿物材料都是低值材料或产品,并由于其本身性能的局限性或未得以强化增强,因而在诸多领域的应用受到限制。随着科学技术的发展,矿物材料正在向轻型、高纯、精细和复合方向发展,具有特殊功能的矿物材料已成为新型材料和应用技术研究开发的主流。因此,特种矿2．粘土矿物在环境治理中的应用虽然物质文明提高、人类在创造物质文明的同时，也在不断破坏人类赖以生存的空间环境，地球温室效应、酸雨现象、高新技术产生的污染、臭氧层的穿孔、地球资源的枯竭、废弃物的增加等对地球环境的破坏越来越严重，保护环境、治理环境、有机地协调经济发展与生态环境保护已成为我国21世纪可持续发展的战略目标的重要内容。随着“在原料采用、产品制造、使用或者再生循环以及废料处理等环节中对地球负荷最小和最有利于人类健康的材料”绿色材料新概念的提出，矿物材料不仅是绿色材料主要组成，而且在环境保护和环境治理中起着重要的作用。2.1矿物材料在治理空气污染中的应用大气污染系指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体健康，舒适感或环境。大气污染物按其存在状态可分为气溶胶污染物和气态污染物两大类。其中气态污染物在一定的条件下可转化为气溶胶态污染物，气态污染物包括了以二氧化硫为主的含硫化合物，以氧化氮和二氧化氮为的含氮化合物、碳的氧化物、碳氢化合物及卤素化合物。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+H2OMg(OH)2+SO2+H2O→MgSO3+2H2OMg(OH)2+SO3+H2O→MgSO3+2H2OWerner(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++H2OMgO+2H+→Mg2++H2OMg(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1Cu2+Cr3+Cd3+Zn2+Mn2+Pb2+Ao112.985599.8244100.196599.985199.74811.7227Ae117.783538.10015.400117.426126.6864Ax111.985582.040962.096494.585082.371985.0363M2.5002.50052.50062.5002.50042.5004Ax/M44.794232.809824.832637.834032.923534.0091Ao：原始浓度（×10-6）；Ae：吸附后滤液浓度（×10-6）；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