粘土矿物原料用作环境材料的研究现状及发展趋势.doc

粘土矿物原料用作环境材料 的研究现状及发展趋势 王海平,徐宏峰,张术根,刘纯波 中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队, 杭州 310022 [摘 要] 本文综述了用粘土矿物原料开发净水剂、空气净化剂、抗菌剂、生态建材等方面环境材料的研究现状,分析了在研究开发中存在的问 题,并指出了相应的发展趋势。 [关键词] 粘土矿物; 环境材料 Abstract This paper summarized the study status of envirormental materials in purifying water agent 、air cleaning agent、antibac-terial agent、zoology materials which are made by clay minerals, analysed the existed problems and pointed out the corresponded development directions. Key wods clay minerals; envirormental materials [中图分类号] P578.965; TD985 [文献标识码] A [文章编号] 1007-9386200405-0063-03 自20世纪90年代初日本学者山本良一首先提出环境材料 的概念之后,世界各国掀起了开发环境材料的热潮。到目前 为止,环境材料主要指可循环利用材料、净化功能材料、 洁净能源材料、节能型材料 [1]。粘土矿物具有多孔、吸附、 离子交换等优异的物理化学性能,近几年,其在环境材料方 面的研究与应用越来越多,特别是在污水处理、大气吸附、 过滤脱色、生态建材如具有保温、隔热、吸音、调光等功 能 、抗菌消毒剂、农业等方面的应用都有显著进展。本文 主要从水处理、空气净化、抗菌、生态建材等方面来讨论天 然粘土矿物开发环境材料的研究现状及发展趋势 [2]。 1 粘土矿物在净水剂中的研究现状 随着社会经济的发展, 工业废水和生活污水越来越多, 严重污染水体,破坏生态环境,威胁人类的健康和生存,为 使废水污水 达到排放标准,人们已研究出了多种处理方 法。就目前的研究现状来看, 天然粘土矿物在净水剂中的应 用,主要是通过絮凝、吸附和离子交换作用来实现。 1.1 絮凝剂 絮凝法具有成本低、使用方便、效果较好等特点,广泛 用于废水处理,是最常用的废水处理方法。无机絮凝剂可分 为无机低分子量盐、复盐和无机高分子盐。虽然无机低分子 絮凝剂的成本低、用法简单,但用量大,絮凝效果比20世纪60年代后期发展起来的无机高分子絮凝剂差,因而现在无机高 分子絮凝剂已经成为主流药剂 [3]。目前,用高岭土和煤矸石等 粘土矿物原料制得的无机高分子絮凝剂较多 [4-9],见下表。 1.2 吸附剂 可作为吸附材料的具有大的比表面积的粘土矿物,主要 包括膨润土、蛭石、凹凸棒石、海泡石等。而这些作为吸附 剂的粘土矿物必须经过适当的预处理, 使吸附剂表面去质子 化,活化吸附位点,改善吸附剂化学性能,才可更好的发挥 其吸附性。因为粘土矿物吸附剂通过脱附可再生,同时脱附 也是回收贵重金属的途径。因此,近年来, 粘土矿物吸附剂 的开发也较热,广泛用于吸附有机物、重金属离子、垃圾渗 液等。 1.2.1 废水处理 膨润土等粘土矿物经过适当的有机改性, 可用来处理含 有机物废水 [10]。膨润土、蛭石、凹凸棒石、海泡石等粘土矿 [收稿日期]2004-08-18 63 物可直接利用或经过适当的活化改性处理,也可用来处理含 重金属离子废水,获得了较好的效果 [11-13]。此外,用海泡 石、凹凸棒石等经适当预处理后,以吸附与离子交换法降氟 除磷具有占地面积小、工艺简单、操作方便、高效快速、无 二次污染、适用范围广而倍受人们关注。同时有利于降低废 水处理成本,减少污泥产生量,重复利用资源 [14-15]。 1.2.2 土壤和地下水污染的防止及修复 膨润土主要用作土地填埋防渗材料 [16]。在垃圾填埋中, 利用膨润土的吸附和阻挡性能,将膨润土作为放置场所的坑 壁及坑底隔水混凝土的添加剂,能有效提高混凝土的隔水效 果和防渗能力,且能有效防止有害物污染地下水。因为蒙脱 石在膨润土水泥体系中改善了混凝土中的结构缺陷, 并且 能吸附污染物。若将有机土和传统的蒙脱石混合使用, 其中 的有机土可吸附有机污染物,而高度分散的钠基土可以有效 阻止水的流动,防渗效果更好。 2 粘土矿物在净化空气中的研究现状 近年来,粘土矿物在空气净化中得到了广泛利用。采用 钙盐、钠盐、氢氧化铝、氢氧化铁为活性组成物, 以膨润土 为载体, 经混碾挤条后干燥、焙烧制成的脱氯剂,可用于石 油化工气体的脱氯。李平等对海泡石、凹凸棒石吸附有机气 体作了研究, 研究表明,发现气体吸附量与气体温度、蒸汽 压、气体分子偶极矩、样品纯度、矿物结晶度有关,且样品 纯度越高,吸附量越大,粘土状样品吸附量要比纤维状样品 大。张春霞等 [17]用改性海泡石研究了对NH 3 的吸附,结果表 明,改性海泡石的吸附量大于未改性的,也远大于活性炭吸 附量。此外,用膨润土、高岭石、凹凸棒石等合成的沸石分 子筛对N O 2 、S O 2 等气体的吸附也作了许多研究。 3 粘土矿物在无机抗菌剂中的研究现状 在抗菌材料中起关键作用的是抗菌剂,可分为有机抗菌 剂和无机抗菌剂两类。无机抗菌剂通常是在无机载体中添加 具有抗菌效果的金属、氧化物光触媒或有机抗菌剂制成,其 在使用安全性、持久性、抗菌性和耐热性等方面都优于有机 抗菌剂。因此,近年来无机抗菌剂得到了广泛的开发和应 用,具有广阔的市场前景 [18-19]。 在无机抗菌剂载体研究开发领域中,因粘土矿物具有独 特的物理化学性能,作为较理想的载体材料已广泛受到人们 的关注,发展相当迅速,特别是膨润土、凹凸棒石、海泡 石、蛭石等。目前,采用离子交换法已经成功地制备了载银 膨润土、载银凹凸棒石、载银海泡石和铜型蛭石等无机抗菌 剂 [20-23],均表现出较好的抗菌效果,可制成各种抗菌制品。 4 粘土矿物开发生态建材的研究现状 许多粘土矿物具有疏松多孔、容重小、吸湿性差、导热 率低等共性,是生态建材的重要原料,目前已广泛应用于保 温隔热、隔音、新型墙体材料等方面 [24]。此外,许多粘土矿 物颗粒很细,比表面积很大,吸附性很强,可用作催化剂和 催化剂载体。根据已有的资料来看,用作催化剂或催化剂载 体的粘土矿物材料主要为蒙脱石、蛭石、凹凸棒石、海泡 石等及其它们的改性、改型产物和利用其经一定配比合成的 人工沸石分子筛等。 5 其他 值得重视的是, 高岭石、蛇纹石、膨润土、海泡石、蛭 石、凹凸棒石等粘土矿物, 也已经成功地应用于制药、饲料 添加剂、肥料、除臭剂、核废料处理、农药等领域。 6 存在的问题及发展趋势 6.1 粘土矿物原料净水剂 近年来,由于传统的净水剂存在成本高、毒性大、工艺 复杂等缺点,因而,掀起了开发天然矿物原料净水剂的热 潮,但由于发展历史较短,科研经费有限,所以天然粘土矿 物原料净水剂的研究存在着基础薄弱、技术落后、整体水平 不高、产量低、品种少、产业化不高、二次污染等问题,并 且,目前科研和市场上的净水剂主要为功能单一的絮凝剂、 吸附剂、沉淀剂等,导致净水流程复杂。另外,水处理技术 应用面不够广,中小型企业应用较少,水的重复使用率低, 这样在某种程度上也影响了净水剂的开发和推广 [25]。因此, 开发具有低成本、流程简单、低污染的粘土矿物复合功能净 水剂将会是未来粘土矿物净水剂的主要研究及发展方向。 6.2 粘土矿物原料空气净化剂 粘土矿物原料在空气净化中的应用目前不多,大多数只 是利用天然原料来研究,效果一般较差,预计今后的发展方 向是加强其改性、改型处理之后的应用,提高净化效果,同 时不断开发新的品种。 6.3 粘土矿物载体无机抗菌剂 虽然,近年来粘土矿物载体无机抗菌剂的研究已得到了 很大的发展,研制成功了一系列银系粘土矿物载体无机抗菌 剂,但是,仍然存在着品种较少主要为银离子、安全性银 的含量超标、功能单一、黑化等问题 [26],因而,其发展趋势 为①由目前的单一功能的无机抗菌剂开发具有多功能的无 机抗菌剂, 如抗菌与除臭、抗菌与除藻、抗菌与杀菌防霉等 结合起来;②开发银与其他金属离子的复合抗菌剂,以进一 步提高抗菌效果和防止黑化现象的发生;③要加强研究无机 抗菌剂的二次污染效果问题。如处理好银的用量与污染的关 系;④在粘土矿物领域,不断发展新的无机抗菌剂载体,大 致可采取下列两种途径,一种是以天然的粘土矿物代替人工 合成的沸石、磷酸盐等载体;另一种是减小载体的力度,提 王海平等粘土矿物原料用作环境材料的研究现状及发展趋势 64 高载体的比表面积,即采用超细级或纳米级载体。 6.4 粘土矿物原料生态建材 目前,我国用粘土矿物原料开发生态建材的研究中存在 着一些问题,如整体研究水平不高,已有的科研成果新工 艺、新产品 推广力度不够,并且相关领域的产品开发不 够,已远远落后于发达国家。其发展趋势如下 [27] 1用粘土矿物资源,采用传统工艺或新工艺制作生态建 材。如利用固体废弃物及粘土矿物为原料,代替全部粘土或 掺少量粘土仍采用烧结法制造空心砖或实心砖;也可采用免 烧或低温烧成技术,生产建筑砌块、多功能墙体材料、绿化 铺地材料及水泥等生态建材。 2采用高新技术制作有益于人体健康、多功能的生态建 材。如采用高新技术制做的常温远红外建筑陶瓷、电磁波屏 蔽材料、防辐射内墙涂料及电致自然光发生材料等。 7 结语 环境保护是21世纪人类所面临的共同课题,全球性研 究、开发环境材料的热潮方兴未艾。人们已经意识到环境治 理中最好的切入点是利用自然界本身的自净化能力。随着科 学技术的发展,基于粘土矿物的矿物学、晶体化学等特征研 究的不断深入,其在环境材料开发方面的应用将非常广阔。 [参考文献 ] [1] 钟厉,韩西,刘江龙,周上祺.环境材料及其评价方法[J].环境污染治理 技术与设备,2002,452-55. 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