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| 非金屬礦物材料在環(huán)保領域的應用及前景 |
| 來源：中國粉體技術網(wǎng) 更新時間：2014-02-08 09:14:39 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術網(wǎng)）“非金屬礦物材料”是指以非金屬礦物和巖石為基本或主要原料，通過物理、化學方法制備的功能性材料或制品，如機械工業(yè)和航空航天工業(yè)用的石墨密封材料和石墨潤滑劑、石棉磨擦材料、高溫和防輻射涂料等；微電子工業(yè)用的石墨導電涂料、顯像管石墨乳、熔煉水晶等；以硅藻土、膨潤土、海泡石、凹凸棒石、沸石等制備的吸附、助濾和環(huán)保材料；以高嶺土（石）為原料制備的煅燒高嶺土、鋁尖晶石、莫來石、賽隆、分子篩和催化劑；以珍珠巖、硅藻土、石膏、石灰石、蛭石、石棉等制備隔熱保溫防火和節(jié)能材料及輕質(zhì)高強建筑裝飾材料；以碎云母為原料生產(chǎn)的超細云母填料、顏料以及云母紙和云母板等；以膨潤土為原料制備的凝膠及有機膨潤土等。
環(huán)境保護是人類21世紀面臨的重大挑戰(zhàn)之一。各種類型的、日益嚴重的環(huán)境污染所造成的全球性的生態(tài)破壞和環(huán)境惡化，對人類能否在這個地球上繼續(xù)生存下去構成了嚴重的威脅。隨著人類環(huán)保意識的增強和全球環(huán)保標準及要求的提高，環(huán)保產(chǎn)業(yè)將成為21世紀最重要的新興產(chǎn)業(yè)之一。許多非金屬礦物材料，如硅藻土、沸石、膨潤土、凹凸棒石、海泡石等經(jīng)過加工（提純、表面處理和復合）具有選擇性吸附有害及各種有機和無機污染物的功能，而且具有原料易得、本身不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點。因此，環(huán)保產(chǎn)業(yè)是21世紀初非金屬礦物材料發(fā)展的一個重要趨勢。
目前，非金屬礦應用于環(huán)保領域的有近50種。其中有天然非金屬礦產(chǎn)品，也有非金屬礦深加工產(chǎn)品和制品。部分具有獨特物化性能的非金屬礦物材料治理水體，大氣及固體污染物的應用開發(fā)已完成，在治理應用方面也取得了一些突破。本文將從廢水處理、廢氣處理及固體廢棄物治理三個方面重點介紹非金屬礦物材料在環(huán)境保護領域中的應用。
1 廢水處理
工業(yè)廢水、生活廢水、農(nóng)業(yè)排水等不經(jīng)凈化處理就亂排亂放，是造成水體污染的重要原因。以上各種廢水含有超標的重金屬、放射性物質(zhì)、有機物、細菌和病原體，遭受這些物質(zhì)污染的水體，對人類健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、魚類水生生物等自然生態(tài)環(huán)境造成的嚴重危害是有目共睹的。
1.1 處理印染廢水
我國是紡織印染工業(yè)大國，印染廢水日排放量約400萬立方米，主要污染為漿料、油料、染料、助劑等。印染廢水具有量大、分布面廣、水質(zhì)變化快、有機物含量高、成分復雜等特點，是難處理的工業(yè)廢水之一，目前國內(nèi)常用治理方法均因成本高、處理效果不理想而難以具體實施。
咸陽非金屬礦研究設計院通過對新疆某地天然膨潤土經(jīng)鈉化處理和無機聚合物改性制成凈水劑產(chǎn)品，對有機印染水污染物有較強的吸附能力，用選擇——吸附法工藝處理后的印染廢水的水質(zhì)達到國家一級排放標準；還開發(fā)研制了蛋白土凈水劑，可不預先調(diào)整污水的PH值，沉降速度更快，經(jīng)凝聚而生成的污泥塊具有不易散裂的優(yōu)點。同時成本和效益比以往的硫酸鋁、氯化鐵、硫化鐵等凈水劑有極大的提高，應用更廣泛。另外，凝聚后的污泥沒有必要進行調(diào)整處理，可以以原樣作為肥料使用，既治理了污染，又不再次污染環(huán)境。
葉玲用成本低的無機物插入蒙脫石礦物層間對其進行改性，并用較難脫色的紅色染料模擬染料廢水進行脫色試驗，研究了改性蒙脫石制備方法、脫色性能和脫色機理，其樣品制備采用在10g/L的蒙脫石料漿中緩慢加入各種無機改性劑，無機改性劑的選擇以分子量大的無機聚合物性能為佳，控制改性劑量以蒙脫石量計為5mmol/g，通過反應、分離、洗滌、烘干、粉碎得到改性蒙脫石成品。以2g/L的加量對濃度為40×10－6的活性大紅1h脫色率可達99.2%。
1.2處理造紙廢水
我國約有造紙廠逾萬家，而90%以上為5000~10000噸/年的中小型草漿造紙廠，全國造紙行業(yè)所排放的廢水約17億噸/年。這些廢水黑液含堿、木質(zhì)素等，濃度高，色度深，處理難度大。咸陽非金屬礦研究設計院提純改性的膨潤土經(jīng)復合加工而制成的復合物對造紙黑液進行的處理試驗結果表明，該復合物具有理想的吸附能力和脫色效果[2]。
歸風鐵等采用鹽酸處理和高溫活化處理等方法，并以H+取代Na+，改變天然沸石的孔結構，可大幅度提高天然沸石對造紙廢水中COD和色度的吸附能力。適宜的改性條件為：在60~70℃下用4kmol/m3HCl溶液回流處理5~6h，洗滌、干燥后，在400℃左右活化4h，用所得活化天然沸石對經(jīng)酸析后的造紙黑液進行深度吸附，CODCr去除率可達22.5%、色度去除率可達69%以上，如結合混凝、酸析，則CODCr總去除率高于81%、色度總去除率可達98%以上，達到國家造紙行業(yè)廢水2~3級排放標準。
1.3處理重金屬廢水
重金屬指Pb、Hg、Cd、Cr和類金屬As等毒性較大的金屬，也包括具有一定毒性的一般金屬如Zn、Cu、Co、Ni、Sn等，重金屬不僅易被生物富集，而且不能被生物降解，對環(huán)境造成嚴重污染，直接危害人類健康。
沈學優(yōu)等探討了利用膨潤土、高嶺土、伊利石等三種黏土去除廢水中的Ni、Cu、Zn、Cd的適宜條件，試驗表明，膨潤土用于電鍍廢水中重金屬離子處理的效果好于其它兩種黏土。趙曉明[8]等以天然鈣基土為原料，用鈉、鋁鹽改性制成的改性膨潤土在PH=6時對于Cr3+的去除率可達95%，在高濃度應用時對鉻的處理效果優(yōu)于活性炭。孫家壽[9]等用鋁—鋯鹽交聯(lián)處理膨潤土，制品以12g/L用量，在PH為2.5~3.5環(huán)境中，30min對Cr6+的吸附率可達100%。
1.4處理城市生活廢水
生活廢水的大量排放，勢必對我們的生存環(huán)境產(chǎn)生嚴重的影響。傳統(tǒng)的治理方法耗資大，同時氯化后的水質(zhì)對人體的健康會造成一定程度的損害。
咸陽非金屬礦研究設計院將天然多孔質(zhì)硅藻土燒成品作為微生物載體進行了廢水處理試驗，將天然多孔質(zhì)硅藻土燒成品作為過濾材料設于微生物處理裝置中，使廢水在該裝置中進行循環(huán)，同時在微生物處理裝置的出口裝設紫外線殺菌裝置，循環(huán)廢水通過微生物處理裝置時，廢水中的氨、尿素和有機物等得到了分解處理。進而，通過微生物處理裝置的廢水中所含的雜菌，在紫外線殺菌裝置中被殺滅，所以即使長期作業(yè)，該裝置中的微生物因無雜菌而不妨害其生成，廢水中的BOD和COD可以穩(wěn)定地減少，透明度可逐步增大。由此可看出，非金屬礦產(chǎn)品是城市生活廢水處理的理想材料之一。
鄭水林等用硅藻精土經(jīng)表面改性缺點成各種硅藻精土污水處理劑，用于城市污水處理，COD、BOD、SS的去除率分別達91%，92.5%，99.9%。
2 廢氣處理
大氣中的CO2、CO、Cl2、F2氣體的增多，形成的溫室效應已使全球氣溫升高。全球氣候變暖將使沙漠化現(xiàn)象加劇，也將嚴重威脅森林、牧場、野生動物等其他生態(tài)系統(tǒng)。地球氣候的變化將產(chǎn)生一個漂移不定的氣象模式，越來越難以預報。干旱、風暴、洪水、臺風等自然災害將可能比任何時期更頻繁、更嚴重。以燃煤和燃油為主的能源結構，直接導致大氣中SO2濃度增大，使大氣受到嚴重污染,造成酸雨增加，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、建筑物、人體健康等都有嚴重的危害。大量F2、Cl2氣體的排放與泄漏，使臭氧層更為稀薄甚至出現(xiàn)空洞，紫外線長驅直入地表，對生物產(chǎn)生嚴重損害。全球排放到大氣中的有害氣體中，發(fā)達國家占84%以上，而經(jīng)濟實力不強的發(fā)展中國家和地區(qū)是首當其沖的受害者。這將進一步加劇國家內(nèi)部不同地區(qū)及國與國之間的社會不平等，影響全球的和平與共同發(fā)展，因此，如何凈化大氣、減少空氣污染成為了首要問題。
經(jīng)濃H2SO4和濃HNO3酸化處理后的石墨，水洗后在300~500℃膨化，使體積增大100 ~ 300倍。用這種膨化石墨可以對煤及石油燃燒產(chǎn)生的SO2和NOx進行脫除，實驗表明膨脹石墨對SOx和NOx有較好的吸附作用，可以用來凈化含SOx和NOx的氣體。該法與傳統(tǒng)工藝相比具有簡單、可靠、成本低的優(yōu)勢，可望膨脹石墨為大氣凈化發(fā)揮更大作用。
汽車尾氣屬于小規(guī)模移動性污染源，廢氣為氧過剩廢氣，去除這類氮氧化物的最理想方法是將其直接分解(2NO→N2O2)，然后送回大氣層。在這種條件下，使用沸石看來是最有希望的方法。經(jīng)過銅離子交換的ZSM—5沸石，其觸媒活性可以滿足這方面的要求。目前存在的問題有兩點：一是如何除去銅離子交換后形成的硫氧化合物這種危害較大的共存物質(zhì)，二是怎樣解決水蒸汽引起的沸石穩(wěn)定性與活性下降的問題。將來，這種離子交換改性沸石的穩(wěn)定性和觸媒特性，一定可以滿足利用氧過剩廢氣中的碳化氫和還原氮氧技術的要求。
另外，絲光沸石、斜發(fā)沸石除具有良好的吸附性能，還有較強的耐酸、耐高溫性能，可用其除去工業(yè)廢氣中的H2S、SO2等；利用比表面積大、吸附性強的膨潤土、海泡石、坡縷石、高嶺土等作為吸附過濾材料，可以處理臭氣、毒氣（如NO、SO2、H2等）之類的有害氣體。
3 固體污染物的治理
固體污染物含有大量的有害物質(zhì)，是造成土壤、水體和大氣污染的主要次生污染源，主要為各種工業(yè)生產(chǎn)和城市居民日常生活排放的廢棄物，包括各類爐渣、煤矸石、粉煤灰、赤泥、尾礦，以及生活垃圾等。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(chǎn)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(chǎn)陶瓷、耐火材料等。近期的研究表明，用煤矸石、高嶺石、膨潤土等為主要原料，可人工合成沸石，代替?zhèn)鹘y(tǒng)洗滌劑中的三聚磷酸鈉，可大大減少洗滌廢水中殘余磷對環(huán)境造成的污染，這將是洗滌產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。
開采溫石棉排放的大量尾礦，礦物成分主要是蛇紋石，可用以提取輕質(zhì)氧化鎂、多孔二氧化硅以及制作鎂質(zhì)農(nóng)肥等等。楊贊中等曾用其作主要原料進行燒制鎂質(zhì)陶瓷的實驗研究：對尾礦作必要的提純并煅燒除去其中的纖維物質(zhì)，按尾礦57%、長石7%、石英20%、結合土6%比例制坯，1250～1260℃溫度下燒成，實驗成品質(zhì)量可與滑石瓷媲美。
4 結束語
環(huán)境污染對人類的生存、發(fā)展已構成了嚴重的威脅，引起了全社會的共同關注，加強環(huán)境保護與治理已刻不容緩。應該充分認識到，非金屬礦環(huán)保材料在治理環(huán)境污染、環(huán)境恢復領域具有十分獨特的作用，并在治理污染的規(guī)模、成本、工藝、設備、操作、效果及二次污染等方面具有明顯的優(yōu)勢。面對日益惡化的生態(tài)環(huán)境和生機勃勃的環(huán)保工業(yè)，對非金屬礦環(huán)保材料的研究和開發(fā)而言，挑戰(zhàn)與機遇并存。隨著非金屬礦深加工技術的發(fā)展，對非金屬礦環(huán)境屬性等方面研究的不斷深入，非金屬礦在環(huán)保領域的開發(fā)應用會越來越廣泛，非金屬礦環(huán)保材料也將成為非金屬礦工業(yè)新的熱點。但是，要形成非金屬礦物環(huán)境材料產(chǎn)業(yè)，還存在許多問題需要有待解決。
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