1、第二章第二章 矿物材料总论矿物材料总论 I 环境矿物材料环境矿物材料太湖蓝藻事件太湖蓝藻事件松花江污染松花江污染主要的环境污染物及其来源主要的环境污染物及其来源用于污染物处理的非金属矿物用于污染物处理的非金属矿物环境矿物材料环境矿物材料 指由矿物及其改性产物组成的与生态环境具有良好协调性或指由矿物及其改性产物组成的与生态环境具有良好协调性或直接具有防治污染和修复环境功能的一类矿物材料。它既是矿物直接具有防治污染和修复环境功能的一类矿物材料。它既是矿物材料，又是环境材料，是两者的交集。换句话说，环境矿物材料材料，又是环境材料，是两者的交集。换句话说，环境矿物材料是具有环境协调性或环境功能的矿物材
2、料。因此，环境矿物材料是具有环境协调性或环境功能的矿物材料。因此，环境矿物材料应该具备两个最基本特征是：应该具备两个最基本特征是：（1 1）本身是以天然矿物为主要原料）本身是以天然矿物为主要原料（2 2）具有环境协调性或具有环境修复和污染治理功能）具有环境协调性或具有环境修复和污染治理功能环境矿物材料的概念环境矿物材料的概念（1） 表面吸附作用表面吸附作用 矿物表面微形貌矿物表面微形貌特征在很大程度上影响着表面活性。特征在很大程度上影响着表面活性。有利于化学吸附的条件是由有利于化学吸附的条件是由表面吸附质成键作用的增强表面吸附质成键作用的增强和表面内与被吸附分子中成键作用的减弱和表面内与被吸附
3、分子中成键作用的减弱之间的平衡来决之间的平衡来决定的，吸附质诱导的表面重构和解离化学吸附只是这种微定的，吸附质诱导的表面重构和解离化学吸附只是这种微妙平衡所固有的两个极端情况，其中吸附质表面之间的强妙平衡所固有的两个极端情况，其中吸附质表面之间的强相互作用支配着转变过程。相互作用支配着转变过程。环境矿物材料作用机理环境矿物材料作用机理 重金属离子重金属离子在矿物颗粒表面的吸附作用是一种在矿物颗粒表面的吸附作用是一种表面配合反表面配合反应应，反应趋势随溶液的，反应趋势随溶液的PH值和羟基基团的浓度增加而增加。值和羟基基团的浓度增加而增加。因此，表面配合反应主要受因此，表面配合反应主要受PH影响。
4、影响。SiOH=SiO-+H+SiOH+H+=SiOH2+SiOH+M2+=SiOM+H+SiOH+MOH+=SiOMOH+H+2SiOH+M2+=(SiO)2M+2H（2） 孔道效应孔道效应 矿物孔道效应包括矿物孔道效应包括孔道分子筛孔道分子筛、离子筛效应离子筛效应与与孔道内孔道内离子交换效应离子交换效应等。过去认识到的具有孔道结构并具有良好等。过去认识到的具有孔道结构并具有良好过滤性的矿物有沸石、粘土、硅藻土、轻质蛋白石等，新过滤性的矿物有沸石、粘土、硅藻土、轻质蛋白石等，新近发现磷灰石、电气石、软锰矿、硅胶等均具有良好的孔近发现磷灰石、电气石、软锰矿、硅胶等均具有良好的孔道性质，连蛇纹石
5、、埃洛石管状结构以及蛭石膨胀孔隙等道性质，连蛇纹石、埃洛石管状结构以及蛭石膨胀孔隙等也表现出优良的孔道性能而备受关注。也表现出优良的孔道性能而备受关注。（3）离子交换作用）离子交换作用 离子交换作用离子交换作用主要发生在主要发生在矿物表面矿物表面、孔道内孔道内与与层间域层间域。 碳酸钙和磷灰石等离子晶格矿物表面，沸石和锰碳酸钙和磷灰石等离子晶格矿物表面，沸石和锰 钾矿等矿物孔道内及大多数黏土矿物层间域等都能发钾矿等矿物孔道内及大多数黏土矿物层间域等都能发 生离子交换。生离子交换。 （4）改性作用机理）改性作用机理 天然粘土矿物存在亲水性无机阳离子天然粘土矿物存在亲水性无机阳离子, ,使粘土矿物
6、表使粘土矿物表面常存在着一层薄的水膜。因而不能有效去除诸如酚、苯、面常存在着一层薄的水膜。因而不能有效去除诸如酚、苯、胺类等胺类等有机物质有机物质，为了去除环境中有机物，通过一定的改，为了去除环境中有机物，通过一定的改性方法，使性方法，使有机阳离子进入非金属矿物有机阳离子进入非金属矿物中，置换出其中的中，置换出其中的水分子而形成有机粘土矿物。矿物经过有机改性后，可明水分子而形成有机粘土矿物。矿物经过有机改性后，可明显改变有机粘土矿物对有机污染物的吸附能力。显改变有机粘土矿物对有机污染物的吸附能力。（5）氧化还原效应）氧化还原效应 S、Fe、Mn为自然界中少数的但属于常见的变价元素，为自然界中少
7、数的但属于常见的变价元素，由变价元素组成的矿物往往是自然界中一些极不稳定的金属由变价元素组成的矿物往往是自然界中一些极不稳定的金属矿物，常常可表现出一定的氧化还原作用。矿物，常常可表现出一定的氧化还原作用。 天然天然铁的硫化物铁的硫化物对处理含对处理含Cr6+有毒废水效果良好，是因该有毒废水效果良好，是因该矿物在一定条件下具有氧化还原作用，矿物在一定条件下具有氧化还原作用，天然锰钾矿天然锰钾矿的氧化还的氧化还原性与其含有变价的原性与其含有变价的Mn4+和和Mn3+离子有关，当锰钾矿与某些离子有关，当锰钾矿与某些易被氧化或还原的分子或离子发生化学反应时，可表现为两易被氧化或还原的分子或离子发生化
8、学反应时，可表现为两种性质，如将有机污染物苯酚完全氧化为种性质，如将有机污染物苯酚完全氧化为CO2和和H2O，也可以，也可以将毒性较大的将毒性较大的Cr6还原为毒性较小的还原为毒性较小的Cr3。改性膨润土在废水处理中的应用改性膨润土在废水处理中的应用（1） 处理含油废水处理含油废水（2） 处理重金属废水处理重金属废水 含含Hg、Cd、Pb、Cr、As、Zn、Cu、Co、Ni等重金属等重金属废水主要来源于金属矿山、冶炼、电解、电镀等工业。研废水主要来源于金属矿山、冶炼、电解、电镀等工业。研究表明，膨润土对重金属离子有一定的吸附能力且通过对究表明，膨润土对重金属离子有一定的吸附能力且通过对膨润土改
9、性，可显著提高对重金属离子的去除能力。膨润土改性，可显著提高对重金属离子的去除能力。 （3） 印染废水脱色印染废水脱色 近年来用改性膨润土对印染废水进行脱色处理取得了近年来用改性膨润土对印染废水进行脱色处理取得了一定进展。将钙基膨润土酸性活化后对印染废水进行脱色处一定进展。将钙基膨润土酸性活化后对印染废水进行脱色处理，其一次性理，其一次性COD去除率达去除率达76%，色度去除率达，色度去除率达87%。若经。若经双层滤料柱过滤处理，色度去除率达双层滤料柱过滤处理，色度去除率达93%以上，以上，COD去除率去除率达达78%。可见，膨润土对印染废水有较好的处理效果，是一。可见，膨润土对印染废水有较好
10、的处理效果，是一种高效价廉的染料废水吸附剂。种高效价廉的染料废水吸附剂。（1） 在垃圾填埋场中的应用在垃圾填埋场中的应用 垃圾填埋是世界上大多数国家处理城市固体废弃垃圾填埋是世界上大多数国家处理城市固体废弃物的主要方法，但填埋场存在垃圾渗滤液污染水源、物的主要方法，但填埋场存在垃圾渗滤液污染水源、土壤、溢出沼气污染空气等问题。这主要是由于防土壤、溢出沼气污染空气等问题。这主要是由于防渗层的设计、防渗材料的选用和施工质量等原因造渗层的设计、防渗材料的选用和施工质量等原因造成的。成的。 膨润土有极强的吸水性，遇水时发生水化，可膨膨润土有极强的吸水性，遇水时发生水化，可膨胀至原体积的胀至原体积的10
11、20倍，且在限定的空间内膨胀形倍，且在限定的空间内膨胀形成凝胶体，从而阻止了水的渗透；同时在膨胀压力成凝胶体，从而阻止了水的渗透；同时在膨胀压力的作用下，粘稠的凝胶体会进入建筑物的裂缝中，的作用下，粘稠的凝胶体会进入建筑物的裂缝中，起到密封防水的作用。起到密封防水的作用。改性膨润土在固体废弃物处理中的应用改性膨润土在固体废弃物处理中的应用（2） 放射性废物的处理放射性废物的处理 国际上对放射性废物的处理一般是将废物封闭贮存在国际上对放射性废物的处理一般是将废物封闭贮存在金属材质容器内，永久埋藏在地质环境较好的钻孔里。但金属材质容器内，永久埋藏在地质环境较好的钻孔里。但此方式存在一定的缺陷，如美
12、国的此方式存在一定的缺陷，如美国的11个埋藏点中，已有个埋藏点中，已有3处渗漏出放射性物质。处渗漏出放射性物质。 为了有效地处理放射性废物，发达国家在为了有效地处理放射性废物，发达国家在20世纪世纪90年年代初期开始将膨润土用作核废物的地质处置回填材料，并代初期开始将膨润土用作核废物的地质处置回填材料，并进行了卓有成效的研究。进行了卓有成效的研究。改性膨润土在空气污染治理方面的应用改性膨润土在空气污染治理方面的应用 膨润土的比表面积大，吸附性强，经简单的处理之膨润土的比表面积大，吸附性强，经简单的处理之后，可作为吸附过滤材料用于臭气、毒气及有害气体后，可作为吸附过滤材料用于臭气、毒气及有害气体
13、NOx、SOx、H2S等的吸附过滤。目前已在迅速、有效地去除与等的吸附过滤。目前已在迅速、有效地去除与腐烂变质物臭气有关的腐烂变质物臭气有关的1, 4-丁二胺和丁二胺和1, 5-戊二胺以及丁烷戊二胺以及丁烷一类气体方面有所突破。一类气体方面有所突破。沸石用于废水处理沸石用于废水处理（1）废水中氨氮的去除）废水中氨氮的去除（2）废水中磷的去除）废水中磷的去除（3）废水中重金属的去除）废水中重金属的去除2 2 沸石用于空气净化沸石用于空气净化 从化工、轻工、涂料业排放的碳氢化合物、硫氧、氮氧、一从化工、轻工、涂料业排放的碳氢化合物、硫氧、氮氧、一氧化碳、硫化氢等是污染大气的主要有害气体。沸石对这些
14、气氧化碳、硫化氢等是污染大气的主要有害气体。沸石对这些气体有良好的吸附、净化功能，特别是在低温范围内具有其他吸体有良好的吸附、净化功能，特别是在低温范围内具有其他吸附剂所不具备的吸附能力。利用天然沸石的吸附性能及耐酸耐附剂所不具备的吸附能力。利用天然沸石的吸附性能及耐酸耐高温特性，可吸附工厂废气中的高温特性，可吸附工厂废气中的SO2，合成氨厂废气中回收氨，合成氨厂废气中回收氨，以及回收以及回收CO、NO等氮氧化物，用于汽车尾气处理剂，减轻环等氮氧化物，用于汽车尾气处理剂，减轻环境污染。境污染。 美国联合碳化物公司用人工合成沸石回收美国联合碳化物公司用人工合成沸石回收SO2，含量由，含量由350
15、0 L/L下降至下降至1525L/L，回收率达，回收率达98%99%，酸雾下降至，酸雾下降至3.53mg/m3。 海泡石的改性海泡石的改性 天然海泡石的吸附性和离子交换性很弱，其比表面天然海泡石的吸附性和离子交换性很弱，其比表面积远未达到理论值，国内外的一些学者研究证明，通过积远未达到理论值，国内外的一些学者研究证明，通过加热（烘烤、焙烧）、酸处理和离子交换等方法对其进加热（烘烤、焙烧）、酸处理和离子交换等方法对其进行改性处理行改性处理,，改性后的海泡石比表面积增大，吸附性能，改性后的海泡石比表面积增大，吸附性能增强，离子交换容量增大。增强，离子交换容量增大。（1）热改性）热改性 热改性是通过
16、对海泡石的烘烤脱去沸石水，使热改性是通过对海泡石的烘烤脱去沸石水，使Si-OH基转变为基转变为Si-O四面体结构，从而扩大了晶体中的通道且结构格架不变，比表四面体结构，从而扩大了晶体中的通道且结构格架不变，比表面积增加、表面活性提高，热改性的最佳温度为面积增加、表面活性提高，热改性的最佳温度为120。（2）酸改性）酸改性 酸改性是通过用强酸中的酸改性是通过用强酸中的H+取代骨架中的取代骨架中的Mg2+， Si-O骨架生骨架生成成Si-OH基，结晶水也随之失去，导致海泡石晶体内部分通道连通，基，结晶水也随之失去，导致海泡石晶体内部分通道连通，使微孔发展成中孔，微孔比率减少，中孔比率增大，表面积从
17、使微孔发展成中孔，微孔比率减少，中孔比率增大，表面积从195.2 m2/g增加到增加到306.6 m2/g。一般以。一般以2%10%的酸浓度为宜。的酸浓度为宜。（3）离子交换改性）离子交换改性 离子交换改性是通过较强极化能力的金属阳离子取代八面体结离子交换改性是通过较强极化能力的金属阳离子取代八面体结构边缘的构边缘的Mg2+，改变其表面酸性，从而使吸附作用增大。，改变其表面酸性，从而使吸附作用增大。改性海泡石在环境污染治理中的应用改性海泡石在环境污染治理中的应用（1）废水处理）废水处理吸附时间对除吸附时间对除As()As()效果的影响效果的影响选择选择FeCl3作作为活化物质为活化物质搅拌时间
18、对脱氟的影响搅拌时间对脱氟的影响 在在110的温度条件下烘烤后的改性海泡石，对己烷、的温度条件下烘烤后的改性海泡石，对己烷、甲苯、乙醇、吡啶、丁醇、辛醇和庚烷等极性分子有极强的吸甲苯、乙醇、吡啶、丁醇、辛醇和庚烷等极性分子有极强的吸附性；附性； 用用盐酸或硝酸盐酸或硝酸处理的改性海泡石对丙酮和苯乙稀气体吸附处理的改性海泡石对丙酮和苯乙稀气体吸附量较大；量较大； 热改性热改性海泡石对水中有机污染物苯、甲苯和乙苯有强的吸海泡石对水中有机污染物苯、甲苯和乙苯有强的吸附性；附性； 用酸和热改性的海泡石能吸附废水中的溴化十二烷基三甲用酸和热改性的海泡石能吸附废水中的溴化十二烷基三甲铵、溴化十六碳烷基三甲
19、铵、长碳链和短碳链季铵盐等季胺有铵、溴化十六碳烷基三甲铵、长碳链和短碳链季铵盐等季胺有机化合物和四元阳离子表面活性剂。机化合物和四元阳离子表面活性剂。（2）气体净化）气体净化 改性海泡石改性海泡石对有害或有恶臭味的气体具有较好的吸附性，对有害或有恶臭味的气体具有较好的吸附性，尤其是尤其是含氮化合物含氮化合物，如氨气、甲醛、硫化物、腐胺和尸胺等，如氨气、甲醛、硫化物、腐胺和尸胺等有极强的吸附作用，广泛用于干燥剂和吸附除臭剂等。有极强的吸附作用，广泛用于干燥剂和吸附除臭剂等。 经经0.5 mol/L的盐酸处理的改性海泡石对的盐酸处理的改性海泡石对NH3、H2S、Cl2、HCl和和SO2有极强的吸附
20、性，其吸附能力为：有极强的吸附性，其吸附能力为： HCl Cl2 SO2,NH3H2S； 改性的海泡石加入一定量的活性炭是卷烟过滤咀的理想改性的海泡石加入一定量的活性炭是卷烟过滤咀的理想原料，可以吸附烟雾中的原料，可以吸附烟雾中的CO、CO2等小颗粒和去除危害人体等小颗粒和去除危害人体的腈、丙酮和丙烯醛等气态的极性化合物；的腈、丙酮和丙烯醛等气态的极性化合物； 4 4 电气石电气石 电气石的基本性能电气石的基本性能（1）静电永久地产生微弱电流，形成）静电永久地产生微弱电流，形成静电场静电场；（2）产生）产生负离子负离子，把水瞬间负离子化；，把水瞬间负离子化；（3）活化水活化水的作用；的作用；（
21、4）发射）发射远红外线远红外线；（5）电气石的）电气石的表面活性表面活性效果；效果； 电气石用于水处理电气石用于水处理 电气石用于保健与环保功能性纺织品 经红外发射率测定，电气石在常温下能发射波长经红外发射率测定，电气石在常温下能发射波长414m的的远红外线远红外线。电气石的这种功能与其电学性质有关，电气石同时。电气石的这种功能与其电学性质有关，电气石同时具有显著的具有显著的压电性压电性与与热电性热电性，即使在常温下，一旦环境压力或温，即使在常温下，一旦环境压力或温度发生微弱变化，其内部分子即振动增强，偶极矩发生变化，即度发生微弱变化，其内部分子即振动增强，偶极矩发生变化，即热运动使极性分子激
22、发到更高的能级，当它向下跃迁时，就把多热运动使极性分子激发到更高的能级，当它向下跃迁时，就把多余的能量以发射电磁波的方式释放掉，多余的能量以光子的形式余的能量以发射电磁波的方式释放掉，多余的能量以光子的形式被带走。因此，电气石向外界发射远红外线的动力来自于外界环被带走。因此，电气石向外界发射远红外线的动力来自于外界环境温度与压力的变化，该过程的本质是电气石与环境之间发生的境温度与压力的变化，该过程的本质是电气石与环境之间发生的能量交换过程。能量交换过程。 将电气石用于纺织品，其发射远红外线与释放负离将电气石用于纺织品，其发射远红外线与释放负离子两种功能协同作用，比单一功能更能激发人体细胞的活子
23、两种功能协同作用，比单一功能更能激发人体细胞的活性，促进人体血液循环及新陈代谢，是理想的保健功能材性，促进人体血液循环及新陈代谢，是理想的保健功能材料，可制成保健内衣、健康寝具等产品。电气石应用于纺料，可制成保健内衣、健康寝具等产品。电气石应用于纺织品的关键技术在于电气石超细粉的制备与表面改性。织品的关键技术在于电气石超细粉的制备与表面改性。 空气净化材料空气净化材料 利用利用电气石电气石研制一种不需要任何辅助能量激发的研制一种不需要任何辅助能量激发的无源负无源负离子装置离子装置以及以及负离子涂料添加剂负离子涂料添加剂可以解决室内空气污染，从而可以解决室内空气污染，从而达到净化、消除有害气体的目的。同时，它产生的羟基离子能达到净化、消除有害气体的目的。同时，它产生的羟基离子能祛除油烟、空调、发霉等各种异味。保持空气新鲜，净化生存祛除油烟、空调、发霉等各种异味。保持空气新鲜，净化生存环境。环境。
