第13章 礦物材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用

13礦物材料在環(huán)境治理中應(yīng)用13.1環(huán)境礦物材料的分類和特點13.2天然礦物對污染物的基本凈化原理13.3天然環(huán)境礦物材料研究進展13.4環(huán)境礦物材料的應(yīng)用13.5環(huán)境礦物材料的發(fā)展前景本章內(nèi)容13.1環(huán)境礦物材料的分類和特點本節(jié)內(nèi)容13.1.1環(huán)境礦物材料的分類根據(jù)礦物材料的定義和加工改造特點，一般將礦物材料分為如下三大類型：天然礦物材料、深加工礦物材料、復(fù)合及合成礦物材料。而根據(jù)礦物材料的特點，環(huán)境礦物材料則可以分為如下四大類：（1）天然環(huán)境礦物材料（2）改性環(huán)境礦物材料（3）復(fù)合及合成環(huán)境礦物材料（4）工業(yè)固體廢棄物13.1.2環(huán)境礦物材料的兩個最基本屬性（1）材料本身是以天然礦物或巖石為主要原料；（2）材料具有環(huán)境協(xié)調(diào)性或具有環(huán)境修復(fù)和污染治理功能。13.1環(huán)境礦物材料的分類和特點總體上來說，環(huán)境礦物材料具有以下特點：（1）應(yīng)用范圍廣，除了“三廢”處理外，還適用于科技發(fā)展帶來的新污染，如光污染、各種射線輻射、微波、電磁場、低頻噪聲等的治理。（2）環(huán)境協(xié)調(diào)，環(huán)境礦物材料是自然界天然無機礦產(chǎn)，具有與天然環(huán)境的共生性和協(xié)調(diào)性，既能治理污染，又能修復(fù)環(huán)境、回歸自然。（3）可循環(huán)、無污染，絕大部分環(huán)境礦物材料在環(huán)保中的應(yīng)用都能遵循再生利用，無二次污染或二次污染小。（4）天然自凈化功能，環(huán)境礦物材料具有天然自凈化功能，在一般性環(huán)保技術(shù)不能解決的非點源區(qū)域性污染方面能發(fā)揮獨到作用，這是物理、化學(xué)和生物治理方法不能比擬的。（5）處理效果好，可以有效去除有機和無機污染物，且去除效果良好。（6）具有生化穩(wěn)定性，具有較高的化學(xué)活性和生物穩(wěn)定性。（7）儲量豐富，工藝簡單，治理污染成本低廉。13.2天然礦物對污染物的基本凈化原理天然礦物對污染物的基本凈化性能主要體現(xiàn)在以下方面：（1）環(huán)境礦物材料的表面吸附作用；（2）環(huán)境礦物材料的孔道過濾作用；（3）環(huán)境礦物材料的結(jié)構(gòu)調(diào)整作用；（4）環(huán)境礦物材料的離子交換作用；（5）環(huán)境礦物材料的化學(xué)活性作用；（6）環(huán)境礦物材料的物理效應(yīng)作用；（7）環(huán)境礦物材料的納米效應(yīng)作用；（8）環(huán)境礦物材料的生物交互作用。以天然礦物材料為原料治理環(huán)境污染，不僅具有工藝簡單、成本低、原料來源廣泛、凈化效率高等優(yōu)勢，而且還可以做到以廢治廢、污染控制與廢棄物資源化并行。13.3天然環(huán)境礦物材料研究進展應(yīng)用范圍功能非金屬礦物及作用大氣污染中和石灰石、菱鎂礦、水鎂石等堿性產(chǎn)物用于中和可溶于水的氣體，這些氣體多為酸酐。吸附沸石、蒙脫石、海泡石、坡縷石、高嶺石、白云石、硅藻土等礦物吸附NOX、SOX、H2S有毒氣體。水污染過濾石英、尖晶石、石榴石、海泡石、坡縷石、硅藻土及多孔SiO2、膨脹蛭石、麥飯石等用于化工和生活水過濾。調(diào)節(jié)pH白云石、石灰石、方鎂石、水鎂石、蛇紋石、鉀長石、石英等用于清除水中多于的H+或OH-。凈化明礬石、三水鋁石、高嶺石、沸石等用于清除廢水中的磷酸離子、銨鹽和重金屬離子等。土壤污染吸附膨潤土、凹凸棒石黏土、海泡石、高嶺土、沸石、蒙脫石等吸附土壤中重金屬離子和有機污染物。調(diào)節(jié)pH海泡石、碳酸鈣、沸石、磷灰石、石灰石、白云石調(diào)節(jié)pH，抑制土壤中重金屬的遷移。放射性污染過濾石棉用作過濾、清除放射性氣體和塵埃。離子交換沸石、海泡石、坡縷石、蒙脫石用于陽離子交換劑凈化被放射性污染的水體。吸附固化沸石、海泡石、坡縷石、蒙脫石、硼砂、磷灰石可對放射性物質(zhì)永久性吸附固化。噪聲隔音沸石、蛭石、珍珠巖、浮石等輕質(zhì)多孔非金屬礦產(chǎn)可用于保溫隔音的建筑材料。表13-1非金屬天然環(huán)境礦物材料應(yīng)用（1）環(huán)境礦物材料處理無機廢水水體的無機污染主要是指重金屬離子污染（Cr6+、Cr3+、Pb2+、Cd2+、Hg2+、As3+、As5+、Zn2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+）以及一些非金屬離子污染（NH4+、NO3-、PO43-、F-、CN-），它們給水體生物及人類帶來了巨大的危害。13.4環(huán)境礦物材料的應(yīng)用13.4.1環(huán)境礦物材料在廢水處理中的應(yīng)用圖13-1硅藻土負載納米碳合成示意圖（2）環(huán)境礦物材料處理有機廢水礦物材料在有機廢水中的應(yīng)用主要指在印染廢水（羅丹明B、亞甲基藍、剛果紅、活性艷紅、耐酸大紅）、酚類（苯酚、氯苯酚、對二苯酚、氨基酚、硝基酚）、烴類（鹵代烴、脂肪、羧酸、表面活性劑）、殺蟲劑（敵百蟲、敵敵畏、克百威、多菌靈）、油田廢水、造紙廢水等的應(yīng)用ShuilinZheng等通過不同的表面改性劑修飾鈣蒙脫石，并對得到的有機黏土進行結(jié)構(gòu)表征，對雙酚A的平衡吸附試驗證明該過程符合準二級動力學(xué)過程和Langmuir等溫吸附過程，黏土礦表面的親水性以及添加表面改性劑后產(chǎn)生的帶正電表面有效提升了其對雙酚A的吸附能力（如圖13-4所示）（2）環(huán)境礦物材料處理有機廢水圖13-5g-C3N4/蒙脫石吸附降解羅丹明B、四環(huán)素示意圖ChunquanLi等通過濕化學(xué)以及煅燒的方法制備了g-C3N4/蒙脫石復(fù)合材料，并對復(fù)合材料的微觀形貌、界面特性及光學(xué)性能等進行了研究，并且在可見光條件下降解水中的羅丹明B和鹽酸四環(huán)素，結(jié)果表明，蒙脫石高效吸附性與g-C3N4良好的光催化降解特性的協(xié)同作用以及靜電作用，使得復(fù)合材料相對于單一g-C3N4有更高的光催化降解能力（如圖13-5所示）。

（2）環(huán)境礦物材料處理有機廢水

硅藻土通過有機或無機改性修飾同樣可以將其運用到各種有機廢水治理中。ZhimingSun等通過離心旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)將納米尺度的零價鐵固載到硅藻土上，其對除草劑西瑪津的去除效率大大提升（圖13-6）。圖13-6硅藻土負納米零價鐵合成降解示意圖（2）環(huán)境礦物材料處理有機廢水ZhimingSun等還將g-C3N4/TiO2通過原位合成的方法固載到提純硅藻土上，研究了復(fù)合材料在可見光以及模擬太陽光下對羅丹明B以及亞甲基藍的降解效果，結(jié)果表明，硅藻土的載體效應(yīng)以及g-C3N4和TiO2的異質(zhì)結(jié)效應(yīng)使得復(fù)合材料的整體效果顯著提升（圖13-7）。圖13-7g-C3N4/TiO2/硅藻土復(fù)合材料及降解原理圖采用清潔、豐富的環(huán)境礦物材料進行大氣污染處理，是一條行之有效的方法，近年來科研工作者在這方面也做了大量的研究。蒙脫石、海泡石、坡縷石等，因為比表面積大，吸附性強，作為吸附過濾材料廣泛應(yīng)用于空氣污染的凈化。這些環(huán)境礦物材料經(jīng)過簡單處理，可用于臭氣、毒氣及有害氣體如NOx、SOx、H2S等的吸附過濾，現(xiàn)已成功的運用在去除與腐爛變質(zhì)物臭氣有關(guān)的1,4-丁二胺和1,5-戊二胺以及包含排泄物臭氣中的吲哚、丁烷一類氣體。沸石具有強大的吸附功能，對極性分子如H2O、NH3、H2S、CO2等有很高的親和力，即使在相對低濃度、濕度、較高溫度下仍能有效吸附，因此是性能穩(wěn)定、吸附效果良好的吸附劑。吳軍等]利用沸石吸附香煙主流煙氣中的亞硝胺和氮氧化物，并取得了良好的吸附效果，結(jié)果表明沸石可以選擇性的吸附亞硝胺和氮氧化物，其吸附的比例關(guān)系很大程度上受到沸石孔徑的限制。

海泡石對某些有害氣體如氨氣、甲醛、硫化物等具有極強的吸附作用。13.4.2環(huán)境礦物材料在大氣處理中的應(yīng)用利用環(huán)境礦物材料，特別是具有較強吸附能力、離子交換性能、防滲性能的環(huán)境礦物材料對重金屬污染土壤進行治理是一種行之有效的辦法。環(huán)境礦物材料中的黏土、蒙脫土、蛭石、沸石等結(jié)構(gòu)中存在水分子，以它們?yōu)橹饕现苽涞耐寥栏牧疾牧暇哂斜Ｋ?、調(diào)溫的功能。在雨季，它們可將水分固定在結(jié)構(gòu)中，旱季來臨時，將結(jié)構(gòu)中的水分釋放出來。蒙脫土、蛭石、沸石等具有良好的吸附功能，可將作物所需的營養(yǎng)成分吸附在表面及結(jié)構(gòu)，使其緩慢釋放，以達到保肥的目的。13.4.3環(huán)境礦物材料在土壤處理中的應(yīng)用13.5環(huán)境礦物材料的發(fā)展前景近年來，日益嚴重的環(huán)境污染與生態(tài)破壞已對我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。環(huán)境礦物材料經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已在環(huán)境治理領(lǐng)域顯示出優(yōu)良的應(yīng)用前景，并成為國內(nèi)外礦物材料領(lǐng)域的研究熱點。目前，我國在環(huán)境礦物材料的制備、結(jié)構(gòu)表征、治理機理等方面取得了顯著的進展，未來該領(lǐng)域的發(fā)展前