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矿物材料对非金属矿工业的拉动效应正不断增强

分类:
专家论坛
发布时间:
2018/07/23 09:12
  西南科技大学 万  朴
  一、矿物材料的研究开发已进入快车道
  资源节约型社会、生产集约化要求、材料科技的发展、创新型国家的思维,已淡化了矿物材料的非金属矿物和金属矿物原料界限,更加重视天然矿物材料与合成矿物材料的交融与综合开发利用,使矿物材料在广度、深度、高新度方面都有了更好更快进展。
  1、设计与结构组装矿物材料的概念与成果将加快矿物功能改造和受控性改造精确度,拓宽矿物材料的研发视野
  北京大学专家们发表的“天然矿物材料的多孔结构、结构组装和光催化性能”,提出了矿物结构组装的概念,并利用矿物孔隙结构(包括粘土与非粘土多孔矿物),促进已有的粘土矿物功能开发的热区向其它多孔结构矿物的功能开发领域扩展。
  目前对微孔的沸石、中孔的硅藻土、大孔的浮石等非粘土多孔材料的利用多限于对其结构所产生的吸附性能。北京大学在多孔矿物中进行了功能粒子组装(如组装有光催化性能的TiO2颗粒,提高光催化降解的功效),制成了天然矿物型有机污染物降解材料。同时,复合小孔、中孔、大孔不同大小的孔结构,使不同大小的孔径组装,能够扩大光催化剂TiO2的承载面积,提高吸附性能。经过结构组装的天然多孔矿物材料,复合了吸附、光催化等性能,在环境治理方面的应用前景广阔。
  通过纳米微米层次上的结构组装工程在天然矿物中制造功能空间,制造功能粒子,获得能够扑集有机污染物的功能空间。
  这些新型天然多孔矿物复合材料兼具吸附光催化、微生物降解等特点,而且无二次污染,成本低廉,有很好的应用价值。
  2、矿物电极性的利用与开发:已利用电气石极性晶体的天然电场、辐射远红外线、产生负离子性能,开发新型矿物材料,并已在电气石对种子发芽率、细胞增殖的影响等生物效应,制备电气石/PE塑料复合薄膜和薄片,电气石的活化水性能及在水果保鲜中的作用等领域利用。
  例如,利用电气石矿物材料的天然电极性、辐射红外线性能和TiO2的光催化性能,研制了以电气石为载体,TiO2薄膜为催化剂的新型复合催化材料。用溶胶一凝胶技术在紫铜网表面成功生长电气石/ TiO2复合薄膜,能够降低水分子团的直径,引起有机高分子强烈共振,加速光催化反应速度。
  3、开发新型光致变色材料及其矿物原料,如紫方钠石。光变色性能在光信息存储、军事伪装、建筑装潢等方面有着现实和潜在的巨大商业价值。过去已研究得较为充分的光变色材料主要属于有机材料。而有机材料容易“疲劳”(光色互变循环次数较少)和不耐高温。目前已把重点转向无机材料或无机材料与有机材料相结合的复合材料上,并被广泛应用。
  紫方钠石就是其一。紫方钠石是一种天然光致变色材料,其变色效应是由于色心所引起,与晶体结构中存在的S22- 离子和卤素空位有关。
  4、稀土复合矿物材料的开发应用发展较快
  稀土矿物是制造高性能永磁材料、储氢材料、发光材料(电致发光、固体激光材料)、通讯材料(光通讯器件)和新能源材料(含稀土镍氢电池)等的重要战略物资。它们在性能优异的结构材料,高温稳定的分子筛型催化剂,高温超导材料,特种玻璃、精密陶瓷,建材等玻璃和陶瓷颜料,以及农、医、环保材料等广泛领域已研发了许多新材料。
  目前已发现的稀土矿物有250多种。我国是稀土矿物资源大国,储量、产量均为世界第一。在19个省市、自治区都有稀土矿床。
  5、军工用复合矿物材料有重要价值
  中国科学院的专家在“隐身材料研究开发现状与矿物材料在其中的应用”一文中指出,红外隐身技术的基础是背景的红外辐射,所以研究岩石土壤的红外辐射,这不仅为了解物体在自然环境中红外辐射背景,还可以通过对矿物的红外辐射特性研究,寻找可用于制作红外隐身涂层的材料和进行红外隐身设计。目前,研究者已对98种矿物、34种岩石、19种土壤约200个样品的光谱发射率、全波长积分发射率和50多种单矿物的光谱发射率曲线进行了测定。并且针对电磁波环境污染等问题,研究了矿物材料在电磁波污染防治、隐身技术和远红外吸收制品等方面的应用前景及应注意的问题。此外,矿物材料也用于制备微波介质材料、微波电热材料。
  6、开发矿物材料原料的空间更广阔
  国内外对大洋中多金属结核及富钴结壳在吸附、催化和电化学性能等方面的研究开发成果,展示了大洋多金属结核及富钴结壳作为新型矿物材料的新进展。
  大洋多金属结核和富钴结壳具有疏松多孔,吸附力和离子交换能力强等性质,国外已研究其用作工业废水的重金属吸附和工业废气脱硫净化,石油渣油脱硫、煤的液化、沥青裂解及原油脱除金属等方面的催化剂以及利用锰结核中四价锰的强氧化性和高活性作电池去极化剂等。
  7、废弃物的资源化、矿物材料化热度攀升
  固体废弃物资源化:例如,巴西专家用亚马逊地区高岭土及其尾矿制造高活性偏高岭石、细粒SiO2,并成功用于生产建筑材料。Pogacnik Liko等开发了用工业矿渣代替石灰岩生产水泥,并减少了水泥中游离钙的含量Giere Reto研究了发电厂粉煤灰中的Ge含量与粉煤灰的物理、化学性质间的关系。Ge主要与粉煤灰中硅铝玻璃相有关,与含铁结晶相无关。随着颗粒度的减小,Ge含量也进一步提高。因此可以先通过磁选和粒度分选使Ge 进一步富集。
  工业废气与矿物材料:
  Ca、Mg硅酸盐可多价螯合CO2 ,处理工业排放的CO2 。将工业碱性废弃物(如钢渣)和城市固体废弃物的灰渣(其碱性来源于高温下产生的Ca、Mg氧化物和碱金属硅酸盐),暴露于CO2中,可分别转变为(Ca,Mg) CO3 和SiO2 (类似于Ca、Mg硅酸盐的风化产物)。
  荷兰能源研究中心的专家研究了应用工业碱性废弃物和城市固体废弃物的灰渣吸收工业CO2的工艺。实验证明,这些废弃物碳酸盐化后,pH值由原来的10——12降为8,并形成了新的矿物组合,更有利于对有害元素的吸收。
  二、矿物材料有力牵动了非金属矿工业的现代化进程
  1、矿物材料研发使非金属矿产资源开发利用层次发生了本质跃迁
  1990年由Gianelis、Mehrotra 提出插层原位聚合物基有机-无机纳米级复合材料的原理,开始了利用聚合物单体插入到具有层状结构的硅酸盐粘土中,在粘土的层间原位聚合,形成有序的纳米复合材料。使粘土矿物由填料、涂料类基本原料跃升为多功能、多品种的高价值资源与材料。这类技术接着在其它具有层片状结构的矿物改造中利用。
  彭同江等研发了聚合物/蛭石纳米复合材料。使原来基本用作轻质保温材料的蛭石,因为研究和开发了高强度、高模量、高韧性、高耐热性、高导电性、对油类或气体的高阻隔性,以及形态稳定性等优良性能,在航空、汽车、家电、电子、环境保护等行业拓展了应用市场和价值。
  2、金刚石的性能和成膜技术突破性进展把昂贵的金刚石扩展为民生应用的高效价值
  水净化技术关系国计民生。一般电化学水处理是利用两个电极间的电压使水分子分离,产生自由氢氧根,从而可氧化所有的有机物质,只留下无害的盐类物质、CO2和水,但耗电量大。用化学气相沉积方法生产金刚石薄膜电极(图1),可以不需要电解就能产生自由氢氧根,达到水净化的目的。这是一种新的电化学水处理技术。试验表明金刚石薄膜电极对废水的净化和消毒有很好的效果。
  这种金刚石薄膜的原料是甲烷。
  3、应用矿物学和矿物材料的应用基础研究支撑着高新矿物材料产业的发展
  非金属矿和矿物材料的可控改造与升位属性的利用,需要两个方面的研究基础。一个方面是用跨越学科、行业的材料流思维指导的研究和工业矿物、材料价值、环境健康的综合评估系统;一个方面是不断深入矿物材料微观层面的结构、成分、功能和基本微粒表面、界面性能等基因效应的基础探究成果的开发应用。
  西南科技大学董发勤等在环境矿物材料和生物矿物材料领域,进行了下列应用基础研究与材料开发:
  确立了材料流的理念,把矿物材料-环境-生态-健康结合起来,采用“来自天然,兼容天然,用于自然,回归自然”的环境协调材料原则,率先以功能微集料和生态功能基元材料的“基因”、“材料芯片”概念,设计了生态矿物材料的研发思路。从应用角度深入研究材料表面/界面物理规律以及材料物理化学属性、环境材料属性、生态材料属性,实现材料的性能复合、定向改造与功能优化。例如,以带有天然或人工界面微孔矿物材料,开发具有“呼吸”功能、贮热功能、水—水蒸汽转换功能、调整小空间的气温、湿度变化和热辐射等调整微气候环境的功能材料;          利用噪音和电磁辐射均是波形成的污染特征,采用相应孔级级配的矿物表面和表面导电、表面电离、防辐射作用来吸收屏蔽各种电磁波、防氡防辐射,消除对听觉、皮肤、器官的损伤,开发多种矿物净化材料;利用天然多孔材料和纤维材料中有强吸附作用、强脱水作用、机械刺入作用以及贵金属离子和短波长光线的杀伤作用,研制吸附脱尘、吸附杀伤的活性生物材料;利用中药资源和理论,运用矿物材料光催化、磁化、远红外、抗菌等性能,开发微环境改善的材料和建材产品中的缓释、长效保健功能材料等。
  研究了矿物(元素)与微生物界面及腔内的相互作用。从天然粉尘中的无机结晶物(或类似物质)、重金属、放射性核素离子与微生物膜体系/微生物产物体系的生化作用的复杂体系角度,通过对酵母菌、耐辐射奇球菌等微生物的筛选驯化,研究液相条件下微生物对单一(组合)放射性核素铀、锶的选择性吸附条件、吸附容量及耐辐射特性。研究了矿物微(尘)粒与人体正常菌群作用以及菌解作用在肺部清除大气浮尘中所起的作用。
  开展了“难溶超细矿物(元素)与微生物界面相互作用研究”,包括对生物成矿和富集再生、生物活性与毒性、表面改性和重构的研究。
  上述成果对矿物材料和现代非金属矿工业的形象和高科技领域的展现做出了积极贡献(部分成果在英国18届IMA、巴西8届应用矿物学、日本19届IMA及国家基金委召开的两次矿物与微生物相互作用研讨会、全国矿物科学与工程学术研讨会、环境矿物学与矿物物理研讨会、核废物处理与核安全、有色冶金新方法国际研讨会上进行了交流)。
  西南科技大学矿物材料专家们在2007年已正式出版了《生态功能基元材料及其复合建材集成技术》。
  4、中南大学和中国工程院专家在“基于资源—材料一体化的功能矿物材料开发与应用”一文中提出了功能矿物材料设计一体化开发的概念。认为基于矿物特性的功能矿物材料的开发与设计是矿物材料学科体系和产业化的重要发展方向。
  通过物理和化学加工将矿物直接制成功能材料,并用改性、掺杂技术赋予相应的功能,以实现资源—材料的一体化,为传统矿物加工行业的技术升级和新型功能材料的制备提供了新的思路。
  实践表明,功能矿物材料与现代生物技术、纳米技术和信息技术融合,形成了新的学科方向和生长点。国内外在功能矿物材料制备技术开发的同时,对机械化学、机械电化学、超微细加工、界面化学、掺杂改性等过程的理论问题进行了深入的探讨,建立了一系列理论体系,推动了矿物材料工业领域的迅速发展。
  三、对行业发展的建议:抓好两个端部效应,加强基地和产业集团的发展与人才凝聚
  我国非金属矿工业经历、并正在经历着由短链产业(非金属矿产地质、采矿——选矿加工——建材等制品),向长链产业(矿产资源——精细加工——初级产品与制品——矿物材料工业),再向产业网链构建的转变(由行业协会引导,依托产学研结合、互补的整体优势,发展现代非金属矿产业与矿物材料系列,创建跨越业界的矿业与矿物材料产业集团)。
  中国资源、能源、环境和经济发展的实际,要求任何需要资源保障的工业产业网链的发展都要高度重视资源源头的丰度与质量,高度重视牵动性产业的强键市场潜力与实力。因此可以认为,精心扶持和积极发展以整合产学研优势的端部智力实体和创新型国家政策支撑的现代非金属矿业和矿物材料工业,是非金属矿工业全行业能否抓住新世纪新机遇期,又好又快发展的关键。
关键词:
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