什么是環境礦物材料？有哪些特點？

文章來源：http://m.dyqzzz.cn 發布時間：2019-11-23 瀏覽次數：294

當前,防治污染、保護環境已成為世界各國的一項基本國策,而無論采用何種工程手段處理環境問題,都要使用某些環境材料。

所謂“環境材料”主要是指那些具有優異使用性能和環境協調性的材料,以及那些直接具有凈化、修復環境能力的材料。

環境材料倡導綠色材料技術,天然礦物正是與環境協調性最佳的材料,環境礦物材料可以定義為由礦物及其改性產物組成的與生態環境具有良好協調性或直接具有防治污染和修復環境功能的一類礦物材料。

如硅藻土、沸石、膨潤土、凹凸棒石、海泡石、石灰石、碳酸鈣、磷灰石、白云石、石英砂、綠泥石、高嶺土、重晶石、累托石、云母、蛭石、伊利石、電氣石、黃銅礦、軟錳礦等含錳礦物、針鐵礦等含鐵礦物、硫化物、煤矸石、粉煤灰、電石渣、鋼渣、尾礦和廢石等。

天然礦物之所以能夠處理環境污染,絕不僅僅是礦物所表現出的簡單的吸附作用,其對污染物的凈化功能主要體現在以下8個基本性能方面:

1、表面效應

礦物材料表面是礦物的外部邊界或礦物與氣體、液體和固體等介質接觸時相與相之間的分界面。在熱力學平衡條件下,礦物材料表面沒有鄰近的原子與之匹配,表面原子的一部分化學鍵伸向空洞,并在表面處產生過量電荷密度,形成懸掛鍵,礦物晶體表面處于高能量非穩定狀態。

礦物材料的表面效應包括表面結構重組效應、表面荷電效應和表面吸附效應。由于偶極子、電子交換或共有等作用,材料表面具有相當大的表面力,在表面力的作用下,礦物表面有自發吸附外來原子或分子,使表面自由能降低并達到能量最低的穩定態的趨勢。利用礦物材料的表面效應,可對污染水和劣質水等進行有效處理,達到治理和改善水環境的目的。

2、過濾作用與孔道效應

目前廣泛使用的礦物濾料有精制無煙煤、精制石英砂、鋁礬土陶粒、磁鐵礦與軟錳礦等。濾料在過濾過程中主要是載留水中的懸浮物和絮狀物,從而達到凈化的目的。結合表面吸附作用可制得復合型礦物吸附過濾材料,如將鐵的氫氧化物固定在普通的石英砂表面制成的新型吸附過濾材料,不僅具有普通石英砂濾料功能,而且能有效地去除重金屬離子。

礦物孔道效應包括孔道分子篩、離子篩效應與孔道內離子交換效應等。過去認識到的具有孔道結構并具有良好過濾性的礦物有沸石、粘土、硅藻土、輕質蛋白石等,新近發現磷灰石、電氣石、硅膠等均具有良好的孔道性質,蛇紋石、埃洛石管狀結構以及蛭石膨脹孔隙等也表現出優良的孔道性能而備受關注。多數礦物均具有孔道結構特征,如常見的長石類礦物也具有良好的孔道結構,其孔徑大小至少能使H2O得以進入和通過。

3、結構效應

通常礦物表面的原子結構及電子特性有可能和其內部的有很大差異。暴露的礦物表面要進行重構,即表面的不飽和狀態會促使其結構進行某些自發的調整。當有被吸附的分子存在時,表面又會以不同的方式在結構上進行重新調整,不同的晶體表面上重構程度也是不同的。

一個常被忽略的問題是在礦物表面上吸著物所具有的結構影響。通常與吸著物最近的基底表面上的原子,為了更好吻合吸著物結構會發生空間位移。這種情況往往發生在吸著物與表面之間具有強的交互作用,也就是吸著物與表面具有強的化學活性并有強鍵形成。

4、離子交換作用

許多天然礦物具有良好的離子交換作用,主要發生在礦物表面上、孔道內與層間域。如碳酸鹽和磷灰石等離子晶格礦物表面、沸石和錳鉀礦等礦物孔道內及大多數粘土礦物的層間域。

方解石和文石均是CaCO3的天然變體,其表面上的Ca2+可與水溶液中Pb2+、Mn2+、Cd2+等陽離子發生交換作用。其中Pb2+與方解石、文石的反應很強,而Mn2+和Cd2+僅與文石的反應很強,與方解石不發生反應,它們被固定在碳酸鹽表面上的形式分別是碳酸鉛、碳酸錳和碳酸鎘。

磷灰石可在常溫常壓下用其表面晶格中的Ca2+與溶液中陽離子Pb2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、Mn2+廣泛發生交換作用,易于除去溶液中的Pb2+。碳酸鈣和磷灰石對重金屬污染物的去除作用主要為表面晶格離子的陽離子交換作用。

天然沸石對一些陽離子有較高的離子交換選擇性,水合離子半徑小的離子容易進入沸石格架進行離子交換,交換能力就強。

粘土礦物在溶液中的分散程度影響到離子交換的動力學性質,分散性又與類質同象程度密切相關。如蒙脫石八面體層中發生的類質同象,可增強結構單元層之間的聯系程度而不易分散。但將蒙脫石浸入電解質溶液中被改性后,如鈣基蒙脫石處理成鈉基蒙脫石,其層間結合力變小而易分散、膨脹與親水,使得陽離子易于擴散進入層間域,從而大大提高離子交換速率。

5、結晶效應

礦物形成過程尤其是溶液結晶過程,往往可成為污染凈化過程。在金屬礦山廢石堆中形成的含Hg、Cr礦物Hg4HgCrO6和Hg2Hg3CrO5S2,對防止重金屬污染可起到固定化作用。

6、溶解效應

溶解作用包括溶質分子與離子的離散和溶劑分子與溶質分子間產生新的結合或絡合。“相似者相溶”這一經驗理論說明,物質結構越相似越容易相溶。嚴格地說絕對不溶解的“不溶物”是不存在的。組成“難溶物”的陰離子與陽離子濃度由于受某種化學反應的影響而降低時,如硫化物礦物氧化還原反應及氫氧化物礦物溶度積更小的沉淀反應等,該“難溶物”就會不斷發生溶解。

就礦物本身而言,不同網面密度的晶面發生溶解時網面密度較大的晶面先溶解,此與晶體生長過程恰恰相反。礦物晶體缺陷處易于溶解,因為位錯中心釋放能量而發生破鍵溶解。礦物處于不飽和溶液中邊緣處也會發生溶解。

7、水合效應

水合作用往往伴隨著礦物體積增大,如硬石膏發生水合作用形成石膏后體積可膨脹30%,蒙脫石等粘土礦物遇水膨脹對工程地基具有不可忽視的影響。其中結晶水常以中性水分子出現于具有大半徑絡陰離子的含氧鹽礦物中,有時以一定的配位形式圍繞著半徑較小的陽離子,形成半徑較大的水合陽離子,在礦物晶格中也具有固定位置,其數量與礦物成分成簡單比例。含水礦物在調節環境水分功能方面,不亞于植物所起的作用,是自然界中最佳的無機控濕調溫物質。

8、物理效應

礦物物理效應包括礦物光學、力學、熱學、磁學、電學、半導體等性質,如方解石的熱不穩定性的固硫效應、堇青石熱穩定性可用來制作多孔陶瓷的除塵效應、天然蛭石的熱膨脹性可改善煤燃燒過程中氧化氣氛以防止硫酸鈣分解而提高固硫率的效應、磁鐵礦的磁性與電氣石的電性的除雜效應,尤其是金紅石的半導體性,其光催化氧化性可分解有機污染物。

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