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概述环境矿物材料及其特点

浏览:210 发表时间:2019-11-16 16:29:09 来源:粉体技术网



       当前,防治污染、保护环境已成为世界各国的一项基本国策,而无论采用何种工程手段处理环境问题,都要使用某些环境材料。

       所谓“环境材料”主要是指那些具有优异使用性能和环境协调性的材料,以及那些直接具有净化、修复环境能力的材料。

       环境材料倡导绿色材料技术,天然矿物正是与环境协调性最佳的材料,环境矿物材料可以定义为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。


       如硅藻土、沸石、膨润土、凹凸棒石、海泡石、石灰石、碳酸钙、磷灰石、白云石、石英砂、绿泥石、高岭土、重晶石、累托石、云母、蛭石、伊利石、电气石、黄铜矿、软锰矿等含锰矿物、针铁矿等含铁矿物、硫化物、煤矸石、粉煤灰、电石渣、钢渣、尾矿和废石等


      天然矿物之所以能够处理环境污染,绝不仅仅是矿物所表现出的简单的吸附作用,其对污染物的净化功能主要体现在以下8个基本性能方面:

1、表面效应

      矿物材料表面是矿物的外部边界或矿物与气体、液体和固体等介质接触时相与相之间的分界面。在热力学平衡条件下,矿物材料表面没有邻近的原子与之匹配,表面原子的一部分化学键伸向空洞,并在表面处产生过量电荷密度,形成悬挂键,矿物晶体表面处于高能量非稳定状态。

矿物材料的表面效应包括表面结构重组效应、表面荷电效应和表面吸附效应。由于偶极子、电子交换或共有等作用,材料表面具有相当大的表面力,在表面力的作用下,矿物表面有自发吸附外来原子或分子,使表面自由能降低并达到能量最低的稳定态的趋势。利用矿物材料的表面效应,可对污染水和劣质水等进行有效处理,达到治理和改善水环境的目的。


2、过滤作用与孔道效应

      目前广泛使用的矿物滤料有精制无烟煤、精制石英砂、铝矾土陶粒、磁铁矿与软锰矿等。滤料在过滤过程中主要是载留水中的悬浮物和絮状物,从而达到净化的目的。结合表面吸附作用可制得复合型矿物吸附过滤材料,如将铁的氢氧化物固定在普通的石英砂表面制成的新型吸附过滤材料,不仅具有普通石英砂滤料功能,而且能有效地去除重金属离子。

矿物孔道效应包括孔道分子筛、离子筛效应与孔道内离子交换效应等。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,新近发现磷灰石、电气石、硅胶等均具有良好的孔道性质,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。多数矿物均具有孔道结构特征,如常见的长石类矿物也具有良好的孔道结构,其孔径大小至少能使H2O得以进入和通过。


3、结构效应

      通常矿物表面的原子结构及电子特性有可能和其内部的有很大差异。暴露的矿物表面要进行重构,即表面的不饱和状态会促使其结构进行某些自发的调整。当有被吸附的分子存在时,表面又会以不同的方式在结构上进行重新调整,不同的晶体表面上重构程度也是不同的。

一个常被忽略的问题是在矿物表面上吸着物所具有的结构影响。通常与吸着物最近的基底表面上的原子,为了更好吻合吸着物结构会发生空间位移。这种情况往往发生在吸着物与表面之间具有强的交互作用,也就是吸着物与表面具有强的化学活性并有强键形成。


4、离子交换作用

      许多天然矿物具有良好的离子交换作用,主要发生在矿物表面上、孔道内与层间域。如碳酸盐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粘土矿物的层间域。

方解石和文石均是CaCO3的天然变体,其表面上的Ca2+可与水溶液中Pb2+、Mn2+、Cd2+等阳离子发生交换作用。其中Pb2+与方解石、文石的反应很强,而Mn2+和Cd2+仅与文石的反应很强,与方解石不发生反应,它们被固定在碳酸盐表面上的形式分别是碳酸铅、碳酸锰和碳酸镉。

磷灰石可在常温常压下用其表面晶格中的Ca2+与溶液中阳离子Pb2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、Mn2+广泛发生交换作用,易于除去溶液中的Pb2+。碳酸钙和磷灰石对重金属污染物的去除作用主要为表面晶格离子的阳离子交换作用。

天然沸石对一些阳离子有较高的离子交换选择性,水合离子半径小的离子容易进入沸石格架进行离子交换,交换能力就强。

粘土矿物在溶液中的分散程度影响到离子交换的动力学性质,分散性又与类质同象程度密切相关。如蒙脱石八面体层中发生的类质同象,可增强结构单元层之间的联系程度而不易分散。但将蒙脱石浸入电解质溶液中被改性后,如钙基蒙脱石处理成钠基蒙脱石,其层间结合力变小而易分散、膨胀与亲水,使得阳离子易于扩散进入层间域,从而大大提高离子交换速率。


5、结晶效应

      矿物形成过程尤其是溶液结晶过程,往往可成为污染净化过程。在金属矿山废石堆中形成的含Hg、Cr矿物Hg4HgCrO6和Hg2Hg3CrO5S2,对防止重金属污染可起到固定化作用。


6、溶解效应

      溶解作用包括溶质分子与离子的离散和溶剂分子与溶质分子间产生新的结合或络合。“相似者相溶”这一经验理论说明,物质结构越相似越容易相溶。严格地说绝对不溶解的“不溶物”是不存在的。组成“难溶物”的阴离子与阳离子浓度由于受某种化学反应的影响而降低时,如硫化物矿物氧化还原反应及氢氧化物矿物溶度积更小的沉淀反应等,该“难溶物”就会不断发生溶解。

就矿物本身而言,不同网面密度的晶面发生溶解时网面密度较大的晶面先溶解,此与晶体生长过程恰恰相反。矿物晶体缺陷处易于溶解,因为位错中心释放能量而发生破键溶解。矿物处于不饱和溶液中边缘处也会发生溶解。


7、水合效应

      水合作用往往伴随着矿物体积增大,如硬石膏发生水合作用形成石膏后体积可膨胀30%,蒙脱石等粘土矿物遇水膨胀对工程地基具有不可忽视的影响。其中结晶水常以中性水分子出现于具有大半径络阴离子的含氧盐矿物中,有时以一定的配位形式围绕着半径较小的阳离子,形成半径较大的水合阳离子,在矿物晶格中也具有固定位置,其数量与矿物成分成简单比例。含水矿物在调节环境水分功能方面,不亚于植物所起的作用,是自然界中最佳的无机控湿调温物质。


8、物理效应

      矿物物理效应包括矿物光学、力学、热学、磁学、电学、半导体等性质,如方解石的热不稳定性的固硫效应、堇青石热稳定性可用来制作多孔陶瓷的除尘效应、天然蛭石的热膨胀性可改善煤燃烧过程中氧化气氛以防止硫酸钙分解而提高固硫率的效应、磁铁矿的磁性与电气石的电性的除杂效应,尤其是金红石的半导体性,其光催化氧化性可分解有机污染物。

      参考资料:

      [1] 陈希廉.发挥矿山废石和尾矿在生态工程中的作用[C].尾矿与冶金渣综合利用技术研讨会,2014:25-30.

      [2] 戴瑞,郑水林,贾建丽,等.非金属矿物环境材料的研究进展[J].中国非金属矿工业导刊,2019(6):3-14.

      [3] 管登高,汪灵,陈善华,等.矿物材料的表面效应及其在改善水环境方面的应用[J].矿物岩石地球化学通报.



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