第七章生态修复与健康材料

膨润土防水毯的主要特点有：
施工简便：用钉子和垫圈即可固定，施工期短 防水性能稳定：不会发生老化和腐蚀 防水材料和防水对象（混凝土结构）的一体化 容易维修：指定部位维修和追加施工 在施工完以后对防水材料的检查和确认比较容易 无害的绿色产品：无毒天然无机材料
膨润土防水毯防水机理：膨润土的主要矿物成分 是蒙脱石黏土岩，蒙脱石是层状硅酸盐矿物，层面上 带负电，由于电荷的作用，蒙脱石层片之间的离子将 吸附水分子，并使水分子充满层与层之间，使这些层 片分开，形成所看到的的膨胀现象。
孔结构特性是影响多孔矿物调试性能的重要指标。 煅烧可以改变硅藻土的孔结构特性。随着煅烧温度升 高，硅藻土孔径分布向大孔方向转变，硅藻土逐渐石 英化，其调湿性能逐渐减弱。
硅藻土平衡吸湿量和平衡放湿量均随硅藻土比 表面积的增大、孔径的减小而增大，且微孔和介 孔区的孔体积越大，大空区的孔体积越小，调湿 效果越明显。
无机非金属调湿材料的调湿功能主要源于 其孔道结构、较大的孔体积与比表面积产生的 对水分子的吸附。储存和脱附作用。
7.4.1 非金属矿物调湿材料
（1）硅藻土
硅藻土的孔隙率达到80-90%，能吸收其本身重量 1.5-4倍的水，经过简单加工就能制成各种形状的调 湿材料，并具有绝热、除臭、吸声等功能。影响硅藻 土基调湿材料调湿性能的主要因素有材料的纯度、比 表面积及孔结构特性等。
我国南方及沿海地区湿度较高，空气潮湿，北方和内 地气候干燥，年平均湿度较低。目前主要采用空调和加湿 器来调节室内空气湿度。
பைடு நூலகம்
调湿材料的概念最早由日本学者西藤宫野首先提 出的，是指不需要借助任何人工能源和机械设备，依 靠自身吸放空气湿度的性能，感应所调空间空气温湿 度的变化，自动调节空气相对湿度的一类功能材料。
空气中的负离子被成为“空气维生素”，对人类审题 健康、生活环境质量有很大益处。以电气石为主体的负离 子释放功能材料已应用于建筑、环境、防止等领域，市场 前景广阔。
电气石具有压电和热释电效应，是一种能够释 放离子，辐射红外线并具有杀菌抗菌性能的矿物 材料。
电气石能够持续释放负离子的机理是：其结构 具有电极化效应，可以电离空气、水体等介质中 游离的中性分子，促使其分解为正、负离子。
是将无机矿物与有机高分子材料通过一定方式进行复合， 充分发挥各组分的有点制备出的具有高湿容量、高吸放湿 速率的复合调湿材料。
研究表明：二者复合后，有机高分子单体经聚合引入到 无机矿物的层间或孔内，使无机矿物材料的层间距或孔径 增大；有机高分子本身具有较高的湿容量，从而使复合调 湿材料具有较高的湿容量和较快的吸放湿速率。复合调湿 材料表面常存在较大的孔隙，结构疏松，加大了材料与空 气的接触面积，从而增强了材料的调湿能力。
7.4 室内调湿材料
室内是人类生活和工作的主要场所，室内环境的好坏 直接影响人类生活质量和工作效率。空气湿度是一项重要 的居住环境舒适度指标，常说的相对湿度是指空气中水蒸 气的含量与在相同情况下能够渗透到空气中的水蒸气总的 含量之比，也是空气干湿程度的物理量，过高或过低的空 气湿度对人类的健康以及文物、仪器寿命等有很大的影响， 如空气湿度太高会对人们的日常生活造成不便。
研究表明：超细电气石粉体晶态平均负离子释放 量为普通原料2-3倍；电气石可作为负离子添加剂， 掺杂制备室内地板砖、隔墙保温砖等建筑材料，具有 负离子释放性；可将电气石磨细后制备可产生负离子 功能的铸铁搪瓷及生态陶瓷；可与稀土氧化物复合制 备复合粉体，稀土添加剂能促使电气石更高效地释放 负离子。还可将电气石、光催化材料（纳米二氧化 钛）、无机抗菌剂及氧化铝和高岭土按一定比例制备 超细负离子空气净化材料。
膨润土、海泡石等黏土矿物能吸附比自身重量大 很多的水分，具有独特的水土保持功能，是有效的沙 漠化治理材料。尤其是膨润土，还具备有利于熵魔治 理和沙化土地生态修复的其他良好特性，如抗渗性、 抗冻性、压缩性与固结性以及对沙土的稳定性。
利用黏土矿物开发廉价的高保水材料可以起到非 常突出的节水抗旱作用，对我国西部荒漠化治理和干 旱地区的种草种树起到巨大的推动作用。
硅藻土的大孔不利于水蒸气分子形成毛细管凝 聚现象，微孔和介孔在硅藻土调湿过程中起主导 作用。
（2）海泡石
海泡石是一种绿色环保型自调湿材料。在低相对湿度 下，作用机理是单、多层分子吸附、比表面积起决定性作 用；在中高相对湿度下，调湿作用主要是依靠毛细凝聚作 用，调湿性能由孔容积决定；在中等相对湿度时，调试性 能由其对应孔径范围内的孔径分布决定。
研究的无机盐有硼酸钠、CaCl2、LiCl；无机矿物有 硅藻土、海泡石等。
7.5 硅藻泥
7.5.1 硅藻泥的性能特点及应用
硅藻泥是一种以硅藻土等多孔矿物和无机胶凝材 料，如白水泥、灰钙粉、半水石膏等，为主要组分， 重质碳酸钙、硅微粉等为填料的健康环保型内墙装修 与装饰材料。
硅藻泥是近几年新型的一种功能性内墙装修装饰 材料，因具有吸放湿功能，被称为“可呼吸的涂料”； 除具有调湿功能外，还具有吸附室内甲醛、甲苯等有 害气体、防火阻燃、吸声降噪、保温隔热等功能。
7.2 防渗矿物材料
防渗矿物材料被广泛应用于市政、公路、铁路、环保、 垃圾填埋场、水利工程及工业与民用建筑地下防水防渗施 工等领域。
土木合成材料黏土垫（毯，GCL）是一种新型的膨润 土基防渗矿物材料，是将天然钠基膨润土填充在PP织布和 非织造布之间，将上层的非织造布纤维通过膨润土用针压 的方法连接在下层的织布上制备而成。该材料既具有土工 材料的主要特性，又具有非常优异的防水防渗性能。这种 膨润土防水毯的规格及施工断面示意如表、图所示。
复合调湿材料是以不同类型的调试材料为原料， 采用化学或物理方法制成的一种多组分复合调湿材 料，如无机/有机高分子、多孔调湿陶瓷、生物质类 等，以提高材料的吸湿容量和吸放湿速率。
根据复合材料种类，矿物复合调试材料主要包 括两大类：有机高分子/无机矿物复合调湿材料和无 机盐/无机矿物复合调湿材料。
（1）有机高分子/无机矿物复合调湿材料
引起膨胀的主要动力就是蒙脱石中可交换阳离子 和晶层底面的水化能。经水化的膨润土表面阳离子吸 附一定量的水分子后形成凝胶，静态下不再进行水分 子交换。当这层凝胶在两面收到均匀眼里的情况下， 渗透系数将变得很小，接近滴水不露，从而形成优异 的防水层。
膨润土防水毯与压实性黏土、混凝土和土木膜等其 他防渗材料相比，具有明显的性能优势，具体表现在： 柔韧性好 施工开挖土方量小 具有极强的自我愈合功能 抗张应变的能力强，有着良好的弹性和可塑性。 抗干湿循环的能力强，干缩裂缝后遇水重新愈合。 抗冻融循环的能力强 施工机械化程度高，可缩短工期，降低施工费用。
发展前景广阔的生态修复矿物材料主要有石灰石、 碳酸钙、沸石、硅酸盐、磷酸盐等，这些材料均具有 廉价高效和来源广泛等特点。
常规对于重金属污染的酸性土壤修复是用石灰等 碱性物质提高土壤pH值，降低重金属的溶解性。
黏土矿物修复是指向重金属污染的土壤中添加天 然黏土矿物或改性黏土矿物，利用黏土矿物物理化学 作用来改变土壤中重金属的赋存状态，降低重金属的 有效浓度和毒性。
膨润土防水毯已在人工湖、地铁、水利、 垃圾填埋场等许多工程中到了广泛应用。
膨润土防水板是将天然钠基膨润土和高密 度聚乙烯压缩成型的具有双重防水性能的高性 能防水材料。广泛用于各种地下工程的防水。
7.3 负离子释放材料
日常生活中的油烟，装饰材料和家具释放的甲醛、苯 等化学污染物质，它们一旦带上正电，随着空气中漂浮的 灰尘就会成为正离子，人体一旦摄入这种正离子就会削弱 细胞活性，降低细胞吸收营养和排泄废弃物的功能，是人 的心情变得焦躁不安，导致各种疾病，轻者患建筑物综合 征，严重可致癌。
随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高， 对矿产资源的需求量持续增大。无论是地下开采还是 露天开采，都对矿物生态环境造成了非常严重的破坏 与影响。矿区废石、尾矿占地大，而且还对矿物周围 水体和土壤造成污染，严重影响人体健康、动植物生 长及生态平衡。
矿区生态修复具有生态效益、经济效益及社会效 益，对于可持续发展具有重大意义。
天然黏土矿物通过表面络合与吸附作用， 可有效吸附带正电的重金属离子，达到使重金 属离子钝化的效果。
黏土矿物修复已成为继化学修复、物理修 复和生物修复方法之后的第四类生态修复方法。
常用的黏土矿物钝化剂包括沸石、高岭石、 蒙脱石、坡缕石、伊利石、蛭石和海泡石等。
沙漠化是土地荒漠化的一种类型。沙漠化土壤 是形成于干旱和半干旱地区的一种特殊性质的土壤， 属于缺少黏质的轻质土壤。粒间孔隙大，降水和灌 溉水容易渗入，内部排水快，但蓄水量少而且易蒸 发失水。另外，沙质土毛管较粗，毛管水上升高度 小，不能将水位较低的地下水通过毛管上升作用来 润湿表土，植物很难在其上生长。
生态修复与健康材料是重要的新型矿物材料 之一，也是矿物材料未来主要发展方向之一。
许多天然非金属矿物具有生态修复与环境治 理功能，可用来制备生态修复与健康材料。这类 材料广泛用于环保、生态、室内健康等领域，在 环境治理、生态修复及人体安全与保健等方面发 挥着重要作用。
7.1 矿区生态修复与沙漠治理材料
第七章 生态修复与健康材料
生态修复指的是在生态学原理指导下，以生物修复为 基础，结合各种物理修复、化学修复以及工程基础措施， 通过优化组合，以达到最佳效果和最低耗费的一种综合修 复污染环境的方法。
生态修复材料就是指具有生态修复功能的一类功能材 料，如土壤改良剂、防渗材料，以及室内调湿材料、负离 子释放材料等新型生态环境与健康材料，广泛应用于建筑、 环境等领域。
能够制备这类复合调湿材料的有机高分子 主要是丙烯酸、丙烯酰胺均聚物（PAA，PAM） 和共聚物（AA-AM）；无机矿物主要是膨润土 （蒙脱石）、高岭土、沸石、硅藻土等。
（2）无机盐/无机矿物复合调湿材料
无机盐改性是改善无机矿物调湿性能的主要方法之 一。其改性原理是：
根据无机矿物吸放湿速率较快、湿容量小的特点， 通过无机盐改性，利用多孔矿物高比表面积和吸附能够， 增加无机盐与水蒸气的接触面积，环境中的水蒸气与无 机盐发生化学吸附，无机多孔矿物的物理吸附与无机盐 化学吸附相互促进，从而提高材料的调湿性能。
其中无机多孔矿物作为近年来调湿材料研究领域 的热电，因其环境友好、化学稳定性好、适用范围广、 生产成本低等优势，是最具有应用前景的调湿材料之 一。多孔矿物材料的最大特点在于其具有孔结构，丰 富的孔结构为其吸附水蒸气、调节湿度提供了存储空 间和调试潜能。
7.4.1 非金属矿物调湿材料
近年来，无机矿物，如硅藻土、海泡石、 沸石、蒙脱石、高岭土等应用于调湿材料的研 究日益广泛和深入。
研究发现：不同纤维活化温度海泡石结构性质不同， 直接影响吸湿和放湿性能。影响海泡石吸湿性能的主要因 素是比表面积、孔容积和孔径分布，在中等相对湿度 （43%-74%）下，海泡石吸湿性能由其在3.58-8.60A范围的 孔径分布决定。
7.4.2 非金属矿物复合调湿材料
针对单一调湿材料难以同时满足高吸放湿容量、 高吸放湿速率的要求，研究将上述的不同类型的调 湿材料进行复合，制成复合型调湿材料。
将膨润土经过分散、改型、纯化等加工处理后， 与少量的有机聚合物进行复合配伍，得到一种具有 高吸水性和保水性、易于喷洒施工、固沙后的固结 层具有良好的抗压强度、抗腐蚀、抗冻融和抗老化 性能，成本低廉，能在固沙地带有效形成植被的膨 润土复合液态固沙植被材料。相比传统的化学固沙 材料，在固结性相近的条件下，具有更小的体系黏 度，便于现场施工，还可防止化学固沙材料对土地 的二次污染，起到更好的环境保护作用。
这种生态调湿材料不需要消耗电能等其他不可再 生能源，故开发与应用具有良好调湿性能的调湿材料 对节约能源、改善环境舒适度、促进生态环境的可持 续发展等具有重要的现实意义。
调湿材料根据材料成分可大分为硅胶、无机盐调 湿材料、无机矿物调湿材料、有机高分子调湿材料和 生物质调湿材料如木材、竹炭、木炭等天然调湿材料 、复合调湿材料、纸类等。