无机界矿物天然自净化功能之矿物超微孔道效应

孔径在0.3～2.0nm范围内的矿物结构孔道属于通常意义上的微孔道,如天然锰钾矿结构中由Mn—O八面体构建并由K等充填其中的微孔道,类似于大家熟知的沸石中由Si—O和Al—O四面体所构建并由Na和Ca充填其中的微孔道,往往具有分子筛功能。本文重点提出孔径在0.3nm以下的天然矿物结构孔道为超微孔道。由于无机离子包括水分子均小于0.3nm,自然界中大多数无机矿物超微结构孔道能成为地球物质发生离子交换的场所而表现出离子筛功能。长期以来人们并没有把约占地壳质量一半以上的长石矿物归类为孔道结构矿物,主要归咎于其孔径过于微小,有关长石孔道离子交换效应更没有引起人们足够的重视。实验研究结果表明,无论是在高温条件下,还是在低温条件下,长石矿物都能表现出一定的离子交换性,具有明显的孔道结构矿物特征。在高温条件下Na 与钾长石发生离子交换反应,能形成Na2O含量达15.9%的钠长石。在中温条件下Pb2 与钾长石发生离子交换反应,能生成铅长石物相。在常温条件下Cd2 与钾长石发生离子交换反应,能生成镉长石物相。长石矿物所体现出的良好的超微孔道效应,在对重金属污染物无害化处理包括核废料安全性处置领域具有潜在应用价值。天然矿物超微孔道在地球物质迁移与交换过程中一直发挥着鲜为人知的独特作用。极少数天然矿物微孔道分子筛效应孕育有净化分子型气体污染物的作用,而大多数天然矿物超微孔道离子筛效应却孕育有净化离子型水体污染物的作用。     

环境矿物材料基本性能：无机界矿物天然自净化功能

重点阐述环境矿物材料基本性能，包括矿物表面吸附、孔道过滤、结构调整、离子交换、化学活性、物理效应、纳米效应及与生物交互作用等，旨在发掘、凝炼并新提出物理方法和化学方法之后与有机界生物同效的无机界矿物天然自净化功能的基础理论与应用方法，以发展和完善无机矿物与有机生物所共同构筑的自然界中存在的天然自净化系统，并就目前笔者在黄铁矿、锰钾矿、金红石、蛭石、蒙脱石、苋铁铁钒等天然矿物方面已经完成和正在开展的一系列环境矿物材料研究工作进行了举例说明。     

长石类矿物超微孔道效应

矿物孔道效应表现为孔道离子交换作用,体现为孔道分子筛与离子筛效应.重新审视矿物晶体结构细节,可以发现多数天然矿物均具有孔道结构特征.倡导与加强矿物学环境属性研究,为开发利用这些矿物孔道特性带来可能.     

硅酸盐中非沸石类孔道结构矿物及其环境属性

对硅酸盐中非沸石类矿物进行的晶体结构特征分析发现,某些链层状硅酸盐矿物(如坡缕石和海泡石)、钛硅酸盐中的硅钛铌钠石、硅钛铌钠矿、钙霞石、方钠石等,以及锰、锆、钒、钇硅酸盐矿物中的水硅钡锰石、堇青石、水钠锆石、水硅钒钙石等矿物中都存在有孔道结构,其孔道直径为0.25~1.0 nm。本文综述了这些孔道结构矿物吸附和交换有害重金属离子、催化降解有机污染物的环境功能和属性。     

天然锰钾矿晶体化学特征及其环境属性

通过XRD和IR对湖南湘潭锰矿中含锰氧化物进行物相分析，确认其主要物相为单斜晶系锰钾矿。利用锰的磁性质计算得到锰以Mn^4 、Mn^2 组合形式存在，结合电子探针微区化学成分分析计算出矿物的晶胞参数和样品的晶体化学式。该天然锰钾矿结晶粒度属于纳米级，其晶体结构中存在孔径不一的两种孔道，K^ 位于由[MnO6]八面体所构筑的较大孔道内。天然锰钾矿具有表面吸附，氧化还原、离子交换、孔道效应和纳米效应等良好的环境属性。     

天然矿物材料的多孔结构、结构组装和光催化性能

自然界存在丰富的多孔矿物资源,其孔隙结构使其具有良好的吸附性能,能够吸附聚集水体中的污染物(特别是有机污染物)。在分析天然多孔矿物的孔结构基础上,文中提出了结构组装的概念,即在多孔矿物中进行功能粒子组装,对多孔矿物进行表面修饰、微结构组装(如层状结构矿物的插层)。通过结构组装,在多孔矿物中引进功能粒子(如有光催化性能的TiO2 颗粒)。组装在天然矿物中的功能粒子能够降解聚集在其中的污染物,大幅度提高功能粒子的效果,提高光催化降解的功效,获得性能优异、成本低廉的天然矿物型有机污染物降解材料。此外,在同一矿物材料中复合小孔、中孔、大孔不同大小的孔结构,实现不同大小的孔径组装,也能够扩大光催化剂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,在环境治理特别是有机物污染降解方面有很好的应用价值。     

天然有机质与矿物间的吸附及其环境效应的研究进展

本文综述了天然有机质与矿物间吸附行为的研究进展.具体介绍了天然有机质与矿物间的吸附机理,包括配位交换、范德华力、静电引力、疏水作用、离子交换及阳离子桥;阐述了不同分子大小及亲疏水性组分的天然有机质在矿物上的吸附行为;讨论了影响吸附行为的环境条件（pH,离子强度）及天然有机-矿物体系对全球碳循环、重金属和有机污染物产生的环境效应,并提出了研究展望.     

矿物法--环境污染治理的第四类方法

总结介绍了近10年开展环境矿物材料研究所取得的较为系统的研究成果。新提出环境矿物材料基本性能,包括矿物表面效应、孔道效应、结构效应、离子交换效应、结晶效应、溶解效应、水合效应、氧化还原效应、半导体效应、纳米效应及矿物生物交互效应等。展示环境矿物材料开发应用方面的崭新成就,包括利用天然铁的硫化物矿物强还原性,发明一步法还原Cr(Ⅵ)与沉淀Cr(Ⅲ)废水处理新工艺;利用天然锰的氧化物矿物强氧化性,发明处理高浓度与强污染的印染和酚类废水新方法;利用天然钛的氧化物矿物日光催化性,发明光催化降解卤代有机污染物新方法;利用天然蛭石高温脱水膨胀热效应,发明能大幅度提高型煤固硫率与除尘新方法;利用天然钙基蒙脱石低成本制备出同时防止水体与无机和有机污染物渗漏的自愈性强的填埋场衬层建造用新型防渗材料,发明生活垃圾尤其是危险废物填埋场衬层建造新工艺;发现凝灰岩与花岗岩中长石类矿物发育有良好的孔道结构,核素进入可发生固定化作用,成为有效阻滞核素迁移的天然屏障;利用天然纳米管状纤蛇纹石成功制备二氧化硅纳米管,接枝有机物可由亲水性变为疏水性;利用黄钾铁矾的胶体特征作为多金属矿山废石堆隔离防渗层,防止金属硫化物矿物氧化分解与矿山酸性废水污染等。着重指出今后环境矿物?     

矿物材料学的几个基本问题

１　矿物材料发展的概况矿物材料是由矿物组成的无机非金属材料,有时也称硅酸盐材料;它是利用天然和人造的矿物为原料,经过一定的生产工艺直接利用或加工成具有一定物理化学性能的非金属材料。广义者也包括金属材料。当代材料研究的主要对象是无机非金属材料。我国生产非金属材料和原料的工业,改革开放前是一个处于技术落后、装备不足、队伍拼凑、人才不足的部门。改革开放才使之焕发青春,有了长足的发展。长期以来,我国一直强调金属材料,大力发展冶金工业,“以钢为纲”、“大打钢铁之仗”是长期强调发展冶金工业的口号。在人类已进…     

有机粘土矿物在环境矿物学中的意义与应用前景

由于天然矿物或稍经改性的天然矿物具有良好的环境属性 ,具有广泛而有效地应用于实际生产生活的环境污染控制和环境失衡修复的功能 ,因此 ,应努力研究和广泛开发天然矿物的环境应用。天然产出的粘土矿物 ,其颗粒最为细小 (ｄ <0 0 1ｍｍ) ,以含铝、镁等为主的一类矿物 ,除海泡石、坡缕石等少数为层链状外 ,其它均为层状结构 ,其层间包含可交换性无机阳离子 ,出露在晶体表面上有一部分氧原子价。这种特有的分子结构的不规则性和晶格缺陷 ,使其具有贮藏能量然后再释放出来的能力 ,对于这种能力的研究和应用 ,使其在诸多经济部门和学科领域都…     

矿物环境属性与无机界天然自净化功能

本将矿物学研究从岩石圈拓展到水圈、大气圈、生物圈与土壤圈之间交互作用的矿物环境属性范畴，研究表明，矿物可成为记录环境演变信息的载体；防止矿物的破坏与分解有可能减少甚至避免由此所造成的对人体健康的影响与生态环境的破坏；矿物与生物交互作用的研究与天然矿物治理污染物的是建立在充分利用自然规律的基础之上，体现了天然自净化作用的特色。天然矿物对污染物的净化功能主要体现在环境矿物材料基本性能方面。天然铁的硫化物，铁的氧化物，锰的氧化物、钛的氧化物。蛭石，有机蒙脱石和含高价阳离子蒙脱石，以及黄钾铁矾等均在处理无机与有机污染物方面展现出良好效果，矿物与其环境界面原子尺度相互作用过程研究，矿物内部结构缺陷影响矿物表面活性规律研究，矿物晶体结构中不同维次连通性孔道效应研究,矿物化学活性作发化污染物方法研究，以及矿物晶芽与生物细胞层次上交互作用净化污染物机理研究等，将是近期着力开发无机界矿物天然自净化功能的重点研究内容。     

天然大孔道结构磷酸盐矿物及其晶体化学特点

孔道结构矿物具有大比表面积、高吸附容量和优异的离子交换性等特性,工业上广泛应用于吸附、异相催化、气体分离以及离子交换等方面。近年来,具有四面体骨架的沸石类分子筛已远不能满足研究及应用的需要,因此开发具有更大孔径和优良性能的非硅酸盐孔道材料成为十分活跃的研究方向。自然产出的孔道结构磷酸盐矿物为数不多(见表1所示),但因此类矿物具有新颖独特的孔道结构体系、复杂多样的晶体化学特点,尤其是黄磷铁矿及钒磷矿都具有大孔径的     

渝东五峰组-龙马溪组页岩矿物成分与孔隙特征分析

页岩的矿物成分和孔隙特征对页岩气成藏和开采具有重要意义。四川盆地渝东石柱县打风坳地区五峰组-龙马溪组富有机质页岩广泛发育,应用X射线衍射技术对其矿物成分特征进行研究,发现五峰组-龙马溪组页岩矿物成分包含石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿、伊利石、伊/蒙混层和绿泥石。脆性矿物含量(50%)和黏土矿物组合特征表明五峰组-龙马溪组是宜于页岩气形成与开采的有利层位。应用氩离子抛光-扫描电镜方法对页岩微纳孔隙特征展开研究,发现无机孔、微裂缝和有机孔3种孔隙类型。无机孔主要包括粒间孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物层间孔和溶蚀孔,孔径数百纳米至数微米;微裂缝包括构造裂缝和解理缝,缝长集中于3~10μm,缝宽数百纳米。有机孔主要发育在有机质内部,呈片麻状或蜂窝状,孔径30~200 nm,连通性较好。总体而言,五峰组页岩中最主要的孔隙类型是溶蚀孔,龙马溪组页岩中主要发育粒间孔和有机孔。     

磷酸盐矿物的孔道结构特征及其环境意义

黄磷铁矿、磷钠铍石、磷方沸石、簇磷铁矿、磷锰钠石、水磷铈石和磷灰石是非硅元素的孔道结构矿物。[PO_4]四面体和[MO_n]多面体共用角顶构成杂多面体格架。形成一维或多堆沿一定方向分布的孔道结构,孔道内由水分子和其它金属或非金属离子占据。孔道结构的磷酸盐矿物具有类似沸石矿物的分子筛效应,可与其它有害元素进行离子交换、孔道过滤和表面吸附等功能,是另一类重要的环境矿物材料。     

四川盆地五峰组—龙马溪组重点井含气页岩孔隙类型与孔径分布

针对四川盆地五峰组—龙马溪组过成熟海相页岩,开展普通薄片观察、SEM成像、X-衍射全岩组分和黏土矿物分析、TOC含量测定、N₂-CO₂联合吸附实验和RG测定。结果表明,海相页岩发育有机孔、无机孔和微裂缝。有机孔多呈气孔状或海绵孔状,大、小混杂;无机孔多呈三角状、棱角状或长方形状;微裂缝多呈条带状,能有效沟通有机孔和无机孔。过成熟海相中,有机孔数量个数>97%,无机孔和微裂缝数量<3%。孔隙以孔径<10 nm的微孔和介孔为主,孔隙数量和体积占比均大于80%,孔径>10 nm的孔隙数量和体积不足20%。在大于10 nm的介孔和宏孔中,有机孔数量超过97%,面孔率超过50%,无机孔和微裂缝数量不足3%,面孔率低于50%。介孔孔径以5~400 nm为主,孔径<20 nm的数量占比>70%。有机孔面孔率随着孔径增大而增大,孔径为100~400 nm的孔隙面孔率占比普遍超过50%。无机孔主要为石英晶间孔和碳酸盐溶蚀孔及少量长石溶蚀孔,孔径为100~400 nm的孔隙面孔率贡献最大,多数页岩均接近100%。随着TOC含量增高,有机孔孔径减小,其面孔率则先增大后减小,TOC为5.5%时常出现拐点。龙马溪和龙一段页岩孔隙由下至上,面孔率逐渐降低。平面上,龙一_1¹小层不同地区面孔率大小及孔隙组成也存在差异,泸州地区面孔率最大,渝西地区最低。渝西地区无机孔含量最高,长宁地区无机孔含量最低。石英晶间孔隙度与石英含量呈正相关,溶蚀孔隙度与碳酸盐矿物含量呈正相关,这可能与石英抗压实能力强、碳酸盐矿物易于溶蚀有关。     

磷酸盐矿物的孔道结构特征及其环境意义

黄磷铁矿、磷钠铍石、磷方沸石、簇磷铁矿、磷锰钠石、水磷铈石和磷灰石是非硅元素的孔道结构矿物。［PO 4］四面体和［MO n］多面体共用角顶构成杂多面体格架，形成一维或多维沿一定方向分布的孔道结构，孔道内由水分子和其它金属或非金属离子占据。孔道结构的磷酸盐矿物具有类似沸石矿物的分子筛效应，可与其它有害元素进行离子交换、孔道过滤和表面吸附等功能，是另一类重要的环境矿物材料。     

应用氩离子抛光-扫描电镜方法研究四川九老洞组页岩微观孔隙特征

微观孔隙结构是页岩储层研究的重点,而扫描电镜方法无法识别机械抛光中由于页岩硬度差异所造成的不规则形貌。本文利用氩离子抛光-扫描电镜方法对四川威远区块九老洞组页岩进行研究,发现了三种孔隙类型:1无机孔以粒间孔和黏土矿物层间孔为主,同时发育晶间孔和生物孔,孔径主体100~500 nm;2有机孔受控于热成熟度或有机黏土复合体,孔径范围数十纳米至数微米;3微裂缝包括成岩收缩裂缝、高压碎裂缝、构造裂缝和人为裂缝,缝宽数微米,缝长数微米至数十微米。研究表明无机孔和微裂缝是九老洞组页岩气的主要储集空间。     

合成沸石分子筛处理有机物废水的应用前景

沸石是一族含水的碱或碱土金属铝硅酸盐矿物 ,是当今世界各国十分重视的无机微孔材料 .天然沸石有很大的应用前途 ,但目前与人工合成分子筛比较 ,它的工业应用仍处于初级阶段 .真正得到广泛应用的是具有纯度高、孔径均一、比表面积大、离子交换和吸附性能强等特点的合成沸石 .尽管目前已合成了各种各样的沸石分子筛 ,但均是利用了纯的化工原料 .随着其他行业对高活性原料的需求增加 ,制备分子筛所需的硅、含铝原料和碱的供应日趋紧张 ,价格不断上涨 ,使得合成分子筛的成本较高 ;另外工艺复杂、能耗高 ,特别是大孔径的分子筛 ,其合成常常需要…     

四川盆地上三叠统须五段页岩微观孔隙结构及其控制因素

为了深入研究四川盆地上三叠统须五段陆相页岩储层微观孔隙结构,运用氩离子抛光扫描电镜(SEM)、低温氮气吸脱附以及相关地球化学分析实验等技术对该地区页岩储层的微观孔隙结构进行了研究,并对控制其纳米孔隙发育的主要因素进行了探讨。结果表明：四川盆地须五段页岩微观孔隙可分为有机孔和无机孔(粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔),微裂缝可分为构造微裂缝、有机质生排烃缝和成岩收缩缝等;孔隙结构类型以两端连通的圆柱孔、平行平面间的缝状孔和呈锥形的管孔为主;微观孔隙孔径分布区间大(1~80 nm),峰值主要集中于2~8 nm之间;以中孔(2~50 nm)为主,所占比例为6021%(或以黏土矿物孔为主,所占比例为4462%);页岩的有机质丰度和黏土矿物含量是控制纳米孔隙发育的主要因素。     

纳米颗粒物:独具特性的地球化学组成

至少一维尺度上小于100 nm的颗粒物均称为纳米颗粒物,在人工纳米颗粒物产生的几十亿年前,地球已经通过其特有的生物地球化学过程合成各类天然纳米颗粒物.这些纳米颗粒物及其次生产物具有独特的理化特性,并参与各种地球化学过程,体现其非凡的地球化学意义.从地球化学的角度,解析了环境纳米颗粒物的定义和分类,重点阐述了风化壳与水体中天然和次生纳米颗粒物的形成,并在天然纳米颗粒物中区分了纳米矿物和矿物纳米颗粒物;同时,也讨论了大气纳米颗粒物的来源、成因与环境影响.该综述列举了目前环境中纳米颗粒物表征与鉴别的技术和方法,重点剖析了纳米颗粒物的地球化学功能和环境意义,并对该领域的研究前沿问题进行了概述.