学习_第三章环境矿物材料

（5）氧化还原效应
Ｓ、Ｆｅ、Ｍｎ为自然界中少数的但属于 常见的变价元素，由变价元素组成的矿物往往 是自然界中一些极不稳定的金属矿物，常常可 表现出一定的氧化还原作用。
天然铁的硫化物对处理含Ｃｒ6+有毒废水效
果良好，是因该矿物在一定条件下具有氧化还 原作用天然锰钾矿的氧化还原性与其含有变价 的Ｍｎ4+和Ｍｎ3+离子有关，当锰钾矿与某些 易被氧化或还原的分子或离子发生化学反应时， 可表现为两种性质，如将有机污染物苯酚完全 氧化为CO2和H2O，也可以将毒性较大的Cr6＋ 还原为毒性较小的Cr3＋。
改性机理
（1）HCl改性
可除去分布于蒙脱石通道中的杂质， 孔道得到疏通，还使得原较为致密的片状板 层堆积结构变得疏松，孔道扩大，有利于 CEC的提高。
（2）NaCl改性
多价离子具有较高的库仑力，并能同时 满足蒙脱石两相邻层单元的负电性，充当层 -层紧密联结的桥梁作用，因而粘土层的结 构对Ca2+的亲和力比对Na+的高。Na+作为可 交换阳离子时没有桥梁作用，层-层间主要 是范德华力，故Na+活化土易被极性水分子
经0.5 mol/L的盐酸处理的改性海泡石对NH3、 H2S、Cl2、HCl和SO2有极强的吸附性，其吸附 能力为：HCl> Cl2> SO2,NH3>H2S；
改性的海泡石加入一定量的活性炭是卷烟过 滤咀的理想原料，可以吸附烟雾中的CO、CO2等 小颗粒和去除危害人体的腈、丙酮和丙烯醛等气
4 电气石
（3）CTMAB改性
有机铵离子取代了蒙脱石中的可交 换阳离子，减小了小膜阻力，扩大了 晶层间的距离，增加了含碳量，疏水 性得以改善，CEC增高。
（4）焙烧活化改性
膨润土原土经过焙烧，先后失去 表面水、吸附水和结构水，减小了水 膜阻力，焙烧还使得膨润土的空隙率 和表面积增加，有利于阳离子交换容
改性膨润土在废水处理中的应用
美国联合碳化物公司用人工合成沸石回收SO2， 含量由3 500μL/L下降至15～25μL/L，回收率达 98%～99%,酸雾下降至3.53mg/m3。
3 海泡石
坡缕石沿[001]的结构
海泡石的改性
天然海泡石的吸附性和离子交 换性很弱，其比表面积远未达到 理论值，国内外的一些学者研究 证明,通过加热(烘烤、焙烧)、酸处 理和离交换等方法对其进行改 性处理, 改性后的海泡石其比表面 积增大，吸附性能增强,离子交换 容量增大。
改性膨润土在空气污染治理方面的 应用
膨润土的比表面积大,吸附性强,经 简单的处理之后,可作为吸附过滤材料 用于臭气、毒气及有害气体NOx、SOx、 H2S等的吸附过滤。目前已在迅速、有 效地去除与腐烂变质物臭气有关的1, 4-丁二胺和1, 5-戊二胺以及丁烷一类 气体方面有所突破。
2 沸石
钠沸石沿[001]的投影
第三章
环境矿物材 料
太湖蓝藻事件
松花江污染
主要的环境污染物及其来源
用于污染物处理的非金属矿物
环境矿物材料的概 环境矿物念材料
指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。它既是矿 物材料，又是环境材料，是两者的交集。 换句话说，环境矿物材料是具有环境协调 性或环境功能的矿物材料。因此，环境矿 物材料应该具备两个最基本特征是：
（1）热改性 热改性是通过对海泡石的烘烤脱去沸石水，使 Si-OH基转变为Si-O四面体结构，从而扩大了晶 体中的通道且结构格架不变，比表面积增加、 表面活性提高，热改性的最佳温度为120℃。 （2）酸改性 酸改性是通过用强酸中的H+取代骨架中的Mg2+， Si-O骨架生成Si-OH基，结晶水也随之失去，导 致海泡石晶体内部分通道连通，使微孔发展成
重金属离子在矿物颗粒表面的吸附作用是一种 表面配合反应，反应趋势随溶液的PH值和羟基 基团的浓度增加而增加。因此，表面配合反应 主要受PH影响。
SiOH=SiO-+H+ SiOH+H+=SiOH2+ SiOH+M2+=SiOM++H+ SiOH+MOH+=SiOMOH+H
+
（2） 孔道效应
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、 软锰矿、硅胶等均具有良好的孔道性质, 连蛇纹石、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。
电气石的基本性能
（1）静电永久地产生微弱电流，形成静电 场；
（2）产生负离子，把水瞬间负离子化； （3）活化水的作用； （4）发射远红外线； （5）电气石的表面活性效果；
电气石用于水处理
电气石用于保健与环保功能性纺 织品
经红外发射率测定，电气石在常温下能 发射波长4～14μm的远红外线。电气石的这 种功能与其电学性质有关，电气石同时具有 显著的压电性与热电性，即使在常温下，一 旦环境压力或温度发生微弱变化，其内部分 子即振动增强，偶极矩发生变化，即热运动 使极性分子激发到更高的能级，当它向下跃 迁时，就把多余的能量以发射电磁波的方式 释放掉，多余的能量以光子的形式被带走。 因此，电气石向外界发射远红外线的动力来 自于外界环境温度与压力的变化，该过程的
（1）本身是以天然矿物或岩石为主要原料
环境矿物材料作用机理
（1） 表面吸附作用
矿物表面微形貌特征在很大程度 上影响着其表面活性强度。有利于化 学吸附的条件是由表面－吸附质成键 作用的增强和表面内与被吸附分子中 成键作用的减弱之间的平衡来决定的， 吸附质诱导的表面重构和解离化学吸 附只是这种微妙平衡所固有的两个极 端情况，其中吸附质表面之间的强相 互作用支配着转变过程。
用盐酸或硝酸处理的改性海泡石对丙酮和 苯乙稀气体吸附量较大；
热改性海泡石对水中有机污染物苯、甲苯 和乙苯有强的吸附性；
用酸和热改性的海泡石能吸附废水中的溴 化十二烷基三甲铵、溴化十六碳烷基三甲铵、 长碳链和短碳链季铵盐等季胺有机化合物和 四元阳离子表面活性剂。
（2 ）气体净化
改性海泡石对有害或有恶臭味的气体具有较 好的吸附性，尤其是含氮化合物，如氨气、甲醛、 硫化物、腐胺和尸胺等有极强的吸附作用，广泛 用于干燥剂和吸附除臭剂等。
钙十字沸石沿[100]的投影图
沸石用于废水处理
（1）废水中氨氮的去除
（2）废水中磷的去除
（3）废水中重金属的去除
（4）废水中有机污染物的去除
2 沸石用于空气净化
从化工、轻工、涂料业排放的碳氢化合物、硫 氧、氮氧、一氧化碳、硫化氢等是污染大气的主要 有害气体。沸石对这些气体有良好的吸附、净化功 能，特别是在低温范围内具有其他吸附剂所不具备 的吸附能力。利用天然沸石的吸附性能及耐酸耐高 温特性，可吸附工厂废气中的SO2，合成氨厂废气 中回收氨，以及回收CO、NO等氮氧化物，用于汽 车尾气处理剂，减轻环境污染。
（2） 放射性废物的处理
国际上对放射性废物的处理一般是将废 物封闭贮存在金属材质容器内，永久埋藏在 地质环境较好的钻孔里。但此方式存在一定 的缺陷,如美国的11个埋藏点中，已有3处渗 漏出放射性物质。
为了有效地处理放射性废物,发达国家 在20世纪90年代初期开始将膨润土用作核废 物的地质处置回填材料，并进行了卓有成效 的研究。
（3）离子交换作用
离子交换作用主要发生在 矿物表面、孔道内与层间域。
碳酸钙和磷灰石等离子晶格矿 物表面，沸石和锰钾矿等矿物 孔道内及大多数黏土矿物层间 域等都能发生离子交换。
（4）改性作用机理
天然粘土矿物存在亲水性无机阳离 子,使粘土矿物表面常存在着一层薄的 水膜。因而不能有效去除诸如酚、苯、 胺类等有机物质，为了去除环境中有机 物，通过一定的改性方法，使有机阳离 子进入非金属矿物中，置换出其中的水 分子而形成有机粘土矿物。矿物经过有 机改性后，可明显改变有机粘土矿物对 有机污染物的吸附能力。
将电气石用于纺织品，其发射远红 外线与释放负离子两种功能协同作用， 比单一功能更能激发人体细胞的活性， 促进人体血液循环及新陈代谢，是理想 的保健功能材料，可制成保健内衣、健 康寝具等产品。电气石应用于纺织品的 关键技术在于电气石超细粉的制备与表 面改性。
空气净化材料
利用电气石研制一种不需要任何辅助能量 激发的无源负离子装置以及负离子涂料添加剂 可以解决室内空气污染，从而达到净化、消除 有害气体的目的。同时，它产生的羟基离子能 祛除油烟、空调、发霉等各种异味。保持空气 新鲜，净化生存环境。
（1） 处理含油废水
（2） 处理重金属废水
含Hg、Cd、Pb、Cr、As、Zn、Cu、Co、 Ni、等重金属废水主要来源于金属矿山、冶 炼、电解、电镀等工业。研究表明,膨润土 对重金属离子有一定的吸附能力,且通过对 膨润土改性,可显著提高其对重金属离子的 去除能力。
（3） 印染废水脱色
近年来用改性膨润土对印染废水进 行脱色处理取得了一定进展。将钙基膨 润土酸性活化后对印染废水进行脱色处 理，其一次性COD去除率达76%，色度 去除率达87%。若经双层滤料柱过滤处 理，色度去除率达93%以上，COD去除 率达78%。可见，膨润土对印染废水有 较好的处理效果，是一种高效价廉的染
中孔，微孔比率减少，中孔比率增大，表面积 从195.2 m2/g增加到306.6 m2/g。一般以 2%~10%的酸浓度为宜。 （3）离子交换改性
改性海泡石在环境污染治理中的 （应1用）废水处理
选择FeCl3作 为活化物质
吸附时间对除As(Ⅴ)效果的影响
搅拌时间对脱氟的影响
在110℃的温度条件下烘烤后的改性海泡 石，对己烷、甲苯、乙醇、吡啶、丁醇、辛 醇和庚烷等极性分子有极强的吸附性；
1 膨润土
膨润土的改性
天然膨润土中的表面硅氧结构具有极 强的亲水性，再加上其层间大量可交换性 阳离子的水解反应，使其表面通常存在一 层薄的水膜，因此吸附和离子交换只在表 面空隙进行，而不能有效地吸附疏水性有 机污染物，从而限制了其在废水处理中的 应用。因此，对天然膨润土的改性受到了 广泛的重视。通过酸、氧化剂、无机盐等 无机物对膨润土进行改性，可明显改善其 对有机污染物的吸附性和离子交换性能。
改性膨润土在固体废弃物处理中的 应用
（1） 在垃圾填埋场中的应用
垃圾填埋是世界上大多数国家处理城市固 体废弃物的主要方法，但填埋场存在垃圾渗 滤液污染水源、土壤、溢出沼气污染空气等 问题。这主要是由于防渗层的设计、防渗材 料的选用和施工质量等原因造成的。
膨润土有极强的吸水性，遇水时发生水化， 可膨胀至原体积的10~20倍，且在限定的空间 内膨胀形成凝胶体，从而阻止了水的渗透； 同时在膨胀压力的作用下，粘稠的凝胶体会