编号：CYYJ00227

篇名：非金属矿物材料与生态环境保护

作者： 彭同江 刘福生 张宝述

关键词： 非金属矿物

机构： 西南工学院矿物操练及应用研究所

原文： 引言 当前人类面临着资源短缺、环境恶化和生存条件质量下降等严重问题与挑战。人类在生产、生活过程中，一方面大量消耗着地球上的有限资源，并导致了生态环境的失调；另一方面大量排泄废料导致环境的污染和破坏。保护人类生存环境提到今天这样的高度，并受到广泛重视是人类自身反思、总结人类文明社会与大自然相互依赖、相互依存、协调发展关系中得出的深刻体会，也是资源、环境和人类社会可持续发展的要求。 21世纪世界人口将突破100亿，为了解决资源、环境、人口的协调与可持续发展问题，必须在生产、生活的各个环节中注重资源的合理利用、废弃物的再生利用和环境的保护，必须发展能源与资源和环境协调的生态材料和生态技术，使得我们在生产、使用、消耗资源和各种材料时具有最大的资源利用率、最小的环境损失及最好的再生性。 目前全国每年生产各种建筑材料要消耗资源50亿吨以上，消耗能源达2.3亿多吨标准煤（不包括不良墙体材料造成的热损失达1.2亿吨标准煤），破坏农田6700多万公顷，与此同时还排放大量的CO2、SO2、Nox等有害气体如大量粉尘。如每生产1吨水泥熟料要排放1吨CO2、0.75千克SO2、130千克粉尘，每生产1吨石灰要排放1.18吨CO2，仅此两种产品每年要排放CO2达6亿多吨。 自然资源与废弃物综合利用的目标是最大限度的利用矿产资源，对环境产生最小的危害。当今，地下和露天采掘出的废矿矸石堆积和尾矿堆积量大，已达到恶化工程地质环境的程度。在我国仅煤矸石的堆积量，70年代中期就已达8亿多吨，仅1977年1年的排矸量，即达到了0.56亿吨，占用土地746.6亩。与此同时，许多矿山的选矿厂将大量的脉石“废渣”（即尾矿）以矿浆状态排出，个别的以干砂状态排出。大量的尾矿如不妥善处理，就会大面积地覆没农田和污染水系，并加剧土地的沙漠化。尾矿坝的下游一般都有稠密的居民区及工业设施、交通干道，尾矿库如溃坝滑坡，可造成巨大的灾害。 我国水资源的总量居世界第一位，人均拥有水量居世界第84位。水资源在空间和时间上的分配不均衡导致我国许多地区水资源的紧缺，据有关资源报道，全国每天缺水2000万吨。 随着经济的发展和人们物质生活水平的提高，一方面对水的需求量越来越大，另一方面则排放了更多的废水，包括工业废水和生活污水等。我们认为，繁重的水污染控制与处理任务已摆在了科技工作者和工程技术人员的面前，在水污染控制与处理技术和实施方面，也要符合人类可持续发展的原则。 在工业生产和日常生活中人类排放大量有害的固体物质。如含有放射性物质的废料、含有石棉、玻璃纤维等建筑拆卸废弃物等等，它们都对环境和人类生产产生了巨大的危害。 非金属矿物材料在生态环境保护中的作用 非金属矿物材料在现代工业和国民经济中具有广泛的用途。随着非金属矿物材料的广泛应用，许多专家提出人类将迎来一个新的石器时代。许多研究已表明，非金属矿物材料在节能、生态和环境保护方面具有重要作用。 1、在节能降耗方面的作用 节能降耗是节省能源、防止资源浪费，进而维持可持续发展的一个重要方面。采取有效节能措施，控制能源消耗也是现代工业发展的重要课题。随着现代科学技术的发展，非金属矿物材料在绝热、节能和催化工程中起着重要的作用。 许多非金属矿物材料具有疏松多孔、容重小、吸湿性差、导热率低等共性，可广泛用作保温材料，达到绝热和降低能耗及生产成本的目的。根据加工特点可把用作保温材料的非金属矿物材料分为天然非金属矿物（岩石）保温材料、改型非金属矿物（岩石保温材料）及保温用矿岩制品三类。 天然非金属矿物（岩石）保温材料主要有纤维蛇纹石石棉、海泡石、硅藻土、浮岩等。这些矿物材料本身即具有保温材料的一系列特性，经成型处理等即可用作保温材料。 生产改型非金属矿物（岩石）保温材料所使用的矿物原料主要有蛭石、蛭石/金云母间层矿物、珍珠岩、石膏、页岩等。这类原料本身不具有保温隔热的性质，但经过一定的加工工艺处理后可成为具有导热率低、保温性能好的材料，如：膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、膨胀页岩、石膏制品等。 保温用矿岩制品泛指利用非金属矿物（岩石）经一定配比和加工后生产的制品，如：岩棉、矿棉、硅酸铝纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、微孔硅酸钙、泡沫陶瓷、陶粒及工业副产品空心向珠（漂珠）等。 非金属矿物材料用作助熔材料，也是节能降低的一个重要领域。例如在练钢工业中广泛使用萤石、白云石等作为助熔剂，进而达到降低熔融温度和节约能耗的目的。在陶瓷工业中则常常使用长石，硅灰石、透闪石等作为坯体和面釉的助熔剂，以降低烧成温度、缩短烧成周期，进而达到节约能源和降低成本的目的。例如，在烧制釉面砖的坯料中加入40—50%的硅灰石，坯体素烧温度为1020—1080C，比普通釉面砖缩短23—40小时；锟道窑为25—40小时，比普通釉面砖缩短57小时。年生产量可提高1—4倍。 许多非金属矿物特别是粘土矿物通常颗粒很细，比表面积很大，吸附性很强。这些性质与催化作用有关，在工业反应过程中可用作催化剂和催化剂载体。蒙脱石的催化作用很早就引起人们的注意，天然的酸性白土和人工活性的催化作用甚为显著。用作催化剂或催化剂载体的非金属矿物材料主要有：蒙脱石、蛭石、坡缕石、海泡石、沸石等及其它们的改性、改型产物和利用非金属矿物原料经一定配比合成的人工沸石分子筛等。 2、在三废处理中的应用 环境科学工作者和地质工作者早已注意到，地球自身具有一定的自净能力，这些能力通过土壤、植物、生物等作用而进行。其中土壤中粘土矿物的吸附性、过滤性和离子交换性是地球自净能力产生的重要原因。 从人类可持续发展的思维观念出发，从大自然土壤具有吸附、净化能力获得启示，选择具有吸附性、过滤性、絮凝性、离子交换性及中和性能优良的天然矿物材料，通过改性、改型复合处理，达到处理工业与生活中排放的废气、废水和固体废弃物的目的。 工业上排放的有害气体，如Sox、Nox、CO等，多为酸酐，且大部分能溶入水。可利用呈碱性的非金属矿物材料与酸酐发生中和反应，从而吸收酸酐，达到清除废气的目的。石灰石、生石灰、MgO、水镁石等均能达到这一目的。如用活性MgO和水镁石处理Sox气体： MgO＋SO2＋H2O→MgSO3＋2H2O Mg(OH)2＋SO2＋H2O→MgSO3＋2H2O Werner（1987）成功地研制了用石灰石和生石灰进行烟道脱硫的方法。张长剑（1981）将石灰石与煤混合可有效地防止有害气体的生成。 利用非金属矿物材料的吸附性、多孔性和阳离子交换性等可有效地吸附有害气体。如沸石、凹凸棒石、海泡石、蛭石、蒙脱石、多孔SiO2、活性MgO、活性Al2O3、白云石、硅藻土等等。 工业污水的处理及其再利用已成为人类面临的日益重要的课题。污水的来源多，数量大。主要有含重金属废水、富营养废水和造纸废水等。 在冶金、五金、机械、涂料、电镀等工业部门排放的废水中，有些含有大量的重金属元素，对人体健康危害极大；因此，必须加以处理，使其达标排放或回收利用。当前处理重金属废水的方法很多，通常采用的是化学沉淀法和离子交换树脂法。前者存在大量药品污泥沉淀问题，后者树脂价格昂贵，易受中毒而失效。近年来，有些科学家注意到，利用天然矿物或岩石的吸附交换性能来处理废水，成本低、效果好。可以用来处理重金属废水和生活污水的天然矿物岩石很多，已开展过研究的有：沸石、膨润土、海泡石、凹凸棒石、蛭石、硅藻土、麦饭石等。日本、美国、前苏联等国已将沸石、膨润土、蛭石等矿物用于废水处理中。 蒙脱石、蛭石、坡缕石、海泡石所具有优良的交换剂和吸附剂，放射性元素和重金属元素的吸收剂和固定剂，大面积油污的处理剂等。蒙脱石、蛭石、硅藻土、坡缕石、海泡石和膨胀蛭石可用于生活污水和富营养水体的过滤、吸附和净化。这些矿物在环保上的应用研究，国外开展的工作较多，而国内则较少。 近年来，有些科学工作者注意到，利用天然矿物、岩石的离子交换性能来处理含重金属废水，成本低、效果好，因而这方面的研究已引起人们的极大重视。利用天然矿物岩石来处理含重金属废水，国内外都有报道。涉及的矿物、岩石有：沸石（王军民，1996；李曼尼等，1997）、膨润土（朱利中等，1993；杭瑚等，1994；李峥，1996；）、海泡石（聂利华等，1990；）、凹凸棒石（谢维民等，1993；赵彩荣等，1989）、蛭石（Zipper，1991；Das等，1991；Obal等，1993）、硅藻土（杨晓玲，1986）、麦饭石（王银叶，1996；高效江等，1996）等。处理的离子有Cu2＋、Pb2＋、Zn2＋、Cb2＋、Ni2＋、Hg2＋、Cr3＋、Cr6＋等。日本、美国、前苏联等国也使用沸石、膨润土、蛭石等矿物处理废水。 有机废水通常产生于食品、造纸、印染、石油、化工等工业部门以及生活污水，处理有机废水的常用方法是：机械沉积法、化学沉淀法、活性碳吸附法、生物化学法、离子交换吸附法等。目前，矿物岩石在有机废水处理中的应用研究还很少，但也取得了不少成果，如，膨润土（杭瑚等，1993；Srinvasan和 Fogler,1990;Hermosin 等Cornrjo,1992等）、蛭石(Srinvasan和 Fogler,1990;Hermosin and Cornejo,1992等)、凹凸棒石（范文元和史小农，1989等）等矿物吸附水溶液中有机物的机理、容量、选择性研究都取得了不少进展。 用蛭石制成一种蛭石絮凝剂也可用来处理废水。其方法是先把蛭石用H2SO4进行进行淋滤活化，然后过滤得到废水处理用的絮凝剂；也可采用以硫酸浸滤的方法制得蛭石废水絮凝剂。用这种絮凝剂加进旅馆厨房废水中可以清除其中可萃取的乙烷。处理后的厨房废水中的乙烷含量可以从190mg/L降到7（或）6mg/L。这种絮凝剂也可用于工业废水的沉淀净化。 有时也利用膨胀性蛭石吸附海、湖、河水中漂浮的油污，达到净化环境的目的。 蛭石对某些放射性元素的吸附功能，对某些放射性元素还具有一定的固定作用（如137Cs）。因此，可作为核废料的处理剂。 利用天然非金属矿物、岩石处理废水的研究，正受到人们的重视。部分天然非金属矿物用于处理废水已进行了较全面的研究，如吸附机理、选择性、处理容量、各因素的影响及矿物再生利用和重金属的回收等等。 今后，应进一步通过物理或化学的方法来改善天然矿物的性能，进一步提高它们的处理容量和选择性。同时加强矿物质复合废水处理剂的研究，运用人类可持续发展的理论作指导，从三个方面，即利用天然矿物资源、通过物理和化学方法改善矿物材料的性能以及再生和综合利用进行深入研究。 我们在前期的研究工作中业已发现，蒙脱石、蛭石、海泡石和坡缕石等矿物对重金属离子和有机物具有良好的吸附性、选择性和解吸性等，并对吸附动力学问题进行了深入的研究。废水通过处理后可实现再利用；废水中的大量金属元素、非金属元素和有机物等也可以再回收利用。因此，废水处理可在人类可持续发展思想的指导下，实现在人类生产和生活中的资源、能源和环境的协调发展，达到资源再生和不污染环境的目的。 2、利用资源方面的环境保护作用 从生态和环境的角度出发，自然资源的开发与使用包含矿产资源及环境资源两个方面，矿产资源的可耗竭性和环境资源的非专有性，决定了它们的社会性。过去在自然资源的采集过程中（如矿山生产中），总是有选择地开采和回收资源，结果不可避免地抛弃一些有价值的物质。这部分物质就很有可能对环境资源造成损害（如改变地貌形态、挤占或污染农田、恶化空气及水质等）。自然资源在人类生产过程及使用循环过程中，不可避免地产生一系列废弃物（如尾矿、矸石、工业废料、核废料等），对这些废弃物不进行处理，一方面亦是自然资源的一种浪费，同时也会对环境造成危害。 当今，地下和露天采掘出的废矿矸石堆积量很大。废矿矸石的大量堆存，尾矿不断增加，已引起严重的环境恶化问题，主要表现在：（1）大量占用土地，包括直接占用和间接占用，如破坏景观，占用农田和耕地，毁果林，破坏其它植被等所损失的土地。（2）尾矿库大坝和排土场边坡的稳定问题，尾矿库坝，已达相当高度，为了少占土地，解决日益紧张的用地矛盾，坝高还在不断增高，一旦失事，将造成更大的灾害。同样，排土场也不断向高空发展，形成高大排土场，一旦滑坡，将掩盖附近农田或毁坏国林，甚至威胁人身安全，有时还可以形成泥石流。（3）环境的污染，废矿矸石和尾矿，含有可挥发性有害物质，污染空气。煤矸石中硫的蒸发，残煤的缓慢自燃等以及尾矿库干坡段风刮砂起等常会污染大气，尾矿坝渗漏、排土场渗流，可使矿浆、矿水向外扩散，使附近土地、地表水和地下水被污染。 自80年代初以来，我国矿产资源综合利用取得了长足进步。但就全国而言，总回收率偏低，有色金属矿产资源综合利用率平均只有35%左右，黑色金属为30—40%。 我国的矿业生产中对固体废弃物的综合利用方面做了许多工作，如有色金属工业废渣主要用于采掘充填料、建筑材料等，利用率最高达69%；钢铁工业废渣主要用于建筑材料，其中高炉渣利用率为85%，转炉和平炉粉尘利用率为90%，选矿和尾矿利用率为2%；煤矸石经采掘和洗选分离后，已用于发电、制水泥和砖，利用率为38%；燃煤电厂排放的粉煤灰利用率达40%以上，其中20多个电厂的粉煤会利用率已达100%；化学工业生产过程中产生的硫铁矿废渣、电石废渣等10种主要废渣的利用率达到62%。 有色金属矿、黑色金属及煤矿等矿山开发过程中的尾矿，其主要矿物组成为非金属矿物。随着非金属矿的开发利用和非金属矿物材料工业的发展，大量的尾矿和矸石得到了应用。一方面充分利用了矿产资源，另一方面保护了环境资源。此外，大大提高了矿山的综合经济效益。在我国北方煤系高岭土经煅烧后，可广泛用作塑料、橡胶、油漆和造纸等工业的填料，即是一个很好的例子。 非金属矿利用的一个特点是种类非常多、用途非常广。从而，人们可根据非金属矿的不同性质和质量，做到精矿、粗矿都能被充分利用。从用作建筑材料的河砂、选矿尾渣，到普遍工业广泛使用的石灰石、高岭石、石英、蛭石、膨润土等，再到航天航空和国防工业应用的石墨、金刚石、刚玉等等。 因此，随着非金属矿和矿物材料加工工业的发展，在矿产的开发利用中完全可以做到无尾开采。从开发整个地质体的角度进行矿产的开发。这就需要进行矿产资源的综合利用的深入研究，在金属、煤等矿产开采评价中大量引入非金属矿物材料方面的专家，进行到学科研究和公关。 4、使用过程中的生态与环境保护作用 随着人类对生态环境的关注，材料界提出了生态材料的概念。生态材料借用系统论原理将材料的设计、生产、使用乃至废弃再生的整个过程看作一个循环系统。 生态材料是指资源利用率高、能源消耗低、功能性强，并从设计、制备、使用到再生的寿命周期全程中符合生态平衡和可持续发展要求的一类材料或制品。 生态材料的内涵：1、最大限度地利用各类资源，尽量减少原材料的利用量和使用种类，特别是稀有昂贵和有毒、有害的原材料；2、最大限度地节约能源，在产品寿命周期的各个环节消耗的能源应最低；3、产品使用方便，具有高性能、多功能；4、优良的环境协调性，即产品从生产、使用到废弃、再生利用的各个环节都对环境无害或危害极小；5、符合生态平衡和可持续发展的要求。 材料的生态功能是指材料在制造和使用过程中所表现出的与生态学和环境学相联系的一系列属性。 利用生态材料的理论，可以使加工生产出的非金属材料具有生态功能。 （1）加工时的能耗低。非金属矿种类繁多，相同性能的原料具有多种，因此，在生产时在保证性能的基础上，有意识地选择原料，达到节约能源的目的。 天然高能态资源的开发应用（以节能降耗），如膨胀珍珠岩、沸石、近代火山岩等，它们具有高活性，加工时所需能耗低，部分可用作水泥的添加料。 例如，石膏胶凝材料与水泥、石灰等相比，石膏胶凝材料的能耗最低（水泥：石灰：石膏=4：3：1），每吨石膏粉耗煤60公斤，生产10万m2石膏砌块耗煤500吨，而相当于10万m2石膏砌块的地280万块粘土则耗煤2000吨（何保罗，1998）。 （2）使用时对环境不产生污染，具有调湿、杀菌、联霉等功能。 随着社会的进步和经济的发展，人们对居室的要求不再仅仅是遮风避雨、维持生存，而是追求更为舒适和有利身心健康，这已是世界建筑发展的方向。人口居住密集，更需改善室内小环境。但现有的建材产品功能单一，仅注重结构、装饰，忽视建筑材料综合功能，尤其是一些建筑材料会释放出影响人体健康的气体或射线，对人体造成极大的伤害。因此，发展生态建材使建筑材料制品达到可以抗菌、除臭、防霉及减少损失、保温、隔热、屏蔽或吸收电磁辐射以及调温、调湿功能已成为21世纪建材发展的重要方面。 土壤改良是农业发展的重要途径，土壤改良的目的在于使土壤更具有保肥、保水及提供营养的目的。蒙脱石、蛭石、沸石等矿物的结构中存在水分子，这些水的含量的多少和环境的湿度密切相关，这样以它们为主要原料制备出的土壤改良材料就具有保水、调湿的功能，在雨季它们可将水分固定中结构中，当旱来临时， 它们可将结构的水分释放出来。蒙脱石、蛭石、沸石等具有吸附功能，可将作物所需的营养成分吸附在表面及结构，使其能缓慢释放，以达到保肥的目的。 膨胀蛭石具有质轻、保温等性能，利用膨胀蛭石可制备出室内装饰材料，这种材料在使用过程不会散发任何有害气体，并能起到隔火、防火的目的。另外膨胀蛭石具有较强的吸附功能，能将细菌吸附在其表面，这样可以达到灭菌、防霉的功效，而且膨胀蛭石还具有吸音的性能，因此使用膨胀蛭石制备的室内装饰才还可以起到隔音、降噪的作用。 （3）可再循环使用 非金属矿的应用主要是利用其整体性能，部分是利用其中的非金属组分。整体的应用主要是利用其各种优良的性能。比如：导热性能、吸附性能等。矿物的性能是由结构所决定的。因此利用非金属矿制备的矿物材料如果在使用过程中其结构没有受到破坏，就可以再生利用。比如利用膨胀蛭石制备的保温材料，受潮后的其保温性能会大大降低，这是只要加热驱除其中的水分，就能恢复其保温性能。又如利用蒙脱石等的吸附性能制备的饿除味材料，当其吸附能力达到饱和时就不能再起作用，这时只要加温（或阳光照射）使吸附的有机分子释放出来，就又具有除味的能力。 三、结语 随着社会的发展和科学技术的进步及人口增长，人类对自然资源的需求量进一步增大，但可循环使用的资源和材料是十分有限的，同时在资源利用和工业化生产中产生的废弃物数量也越来越多。由于矿产资源的无节制的开采及综合利用研究不够，人们在生产中大量排放各种废料，导致整个地球的环境日益恶化。资源的非生态化利用，不仅造成资源的巨大浪费，也给环境造成极大污染和破坏，人类生存、生活质量下降，各种疾病滋生，人类面临着毁灭自己的危险！这些问题日益引起人们的关注，并向传统矿产利用观念提出挑战。协调自然资源的利用、废弃物的再次利用与环境保护是利国、利民、造福子孙后代的可持续发展的需要。 为了保护我们生存的环境，必须加大非金属矿物材料研究的力度，可以从以下几方面着手：第一，研究利用非金属矿物材料来代替相应的材料，以达到节约能源，减少污染的目的；第二，研究利用非金属矿物材料来处理“三废”；第三，研究利用废渣、尾矿等固体废弃物来生产矿物材料，起到综合利用，同时治理环境的目的；第四，利用生态材料的理论来制备非金属矿物材料，使具有生态功能，能够再生利用，不会造成污染。