环境与新能源矿物材料

第1章绪论 1.1矿物材料概述 社会发展程度的标志之一是非金属矿产值及消费量超过金属矿产。改革开放以来，我国非金属矿产业发展迅速，20世纪90年代初，我国非金属矿产值及消费量超过了金属矿产。与此同时，非金属矿深加工及应用研究也不断发展和深入，20世纪80年代初，开始出现“岩石矿物材料”“矿物岩石材料”“矿物材料”“矿物功能材料”“纳米矿物材料”“生物矿物材料”“特种矿物材料”等术语［1-17］，并逐步形成了“矿物材料学”这一新兴边缘学科。由于矿物功能材料在国家社会、经济发展中的重要性和不可替代性，国务院2016年印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中，矿物功能材料被确定为特色资源新材料，成为国家大力发展的战略性新兴产业之一。 然而自“岩石矿物材料”“矿物岩石材料”“矿物材料”等术语出现和使用以来，不同学者给出了不同的定义，关于“矿物材料”的定义及其内涵至今意见不尽统一，不仅影响对矿物材料的分类、影响矿物材料的学术研究与交流，而且一定程度上还影响矿物材料学的学科发展，影响非金属矿工业的发展。因此作者在分析总结已提出的各种“矿物材料”定义的基础上，提出一种新的矿物材料定义及矿物材料分类方案。 1.1.1矿物材料的定义及内涵 自20世纪80年代初提出“矿物材料”的概念至今，学者们已给出了十余种“矿物材料”或“岩石矿物材料”的定义［2-4，6，7，10-17］，人们对“矿物材料”或“岩石矿物材料”的认识不断深入并逐步统一，但也存在分歧和问题。基于前人提出的“矿物材料”定义，并考虑到各种定义存在的问题，本书作者提出了以下矿物材料定义［18］。 狭义矿物材料：可直接利用其物理、化学性能的天然矿物岩石，或以天然矿物岩石为主要原料加工、制备而成，而且组成、结构、性能和使用效能与天然矿物岩石原料存在直接继承关系的材料。 该定义具有以下特点和含义： ①包括可直接利用其物理、化学性能的天然矿物岩石，这是所有学者的共识。 ②由天然矿物岩石为原料加工、制备而成的材料，强调了以“天然矿物岩石”为主要原料。因此像以粉煤灰等为原料制备的材料不属于狭义矿物材料。 ③由天然矿物岩石为原料加工、制备而成的材料，强调了材料组成、结构、性能和使用效能与天然矿物岩石原料存在直接继承关系，因此将“加工、制备”限制在不根本改变天然矿物岩石的成分、结构和性能的范畴，较过去“不以提炼金属和化工原料为目的的制备与合成”等提法更加严密、科学。 ④所定义的矿物材料一定是“以矿物为主要或重要组分”的材料。 根据以上定义，狭义矿物材料应包括两类：一类是可直接利用物理、化学性能的天然矿物岩石，如天然石材、天然矿物晶体、天然宝玉石等；另一类是以天然矿物岩石为主要原料加工、制备而成，而且组成、结构、性能和使用效能与天然矿物岩石原料存在直接继承关系的材料，包括天然矿物岩石粉体及各种改性的天然矿物岩石材料(如表面改性天然矿物岩石填料、有机插层和无机柱撑黏土矿物、煅烧高岭石等)。狭义矿物材料不包括天然矿物岩石充填的橡胶、塑料或涂料，因为这些材料不是以天然矿物岩石为主要原料；也不包括水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等，因为它们虽然以天然矿物岩石为主要原料，但材料的组成、结构、性能和使用效能与天然矿物岩石原料不存在直接继承关系。 广义矿物材料：以矿物岩石为主要原料加工、制备的材料。该定义的特点及含义如下： ①广义矿物材料的原料必须以矿物岩石为主，矿物岩石原料包括天然的和非天然的。 ②广义矿物材料的组分不一定是矿物(包括人工合成矿物)。 ③广义矿物材料的组成、结构、性能和使用效能与矿物岩石原料可以不存在直接继承关系。 按此定义，广义矿物材料除包括以上定义的狭义矿物材料外，还包括水泥、以矿物岩石为原料制备的陶瓷、以矿物岩石为原料制备的玻璃、以矿物岩石为原料制备的耐火材料、以矿物岩石为原料制备的人工晶体、以矿物岩石为原料制备的人工矿物岩石材料(如以石墨为原料制备的金刚石)，以及由工业固体废弃物(人工矿物岩石)制备的材料等。但不包括以非矿物岩石为主要原料加工、制备的材料，如以CH4等为碳源制备的金刚石薄膜等。 1.1.2矿物材料的分类 由矿物材料定义可知，矿物材料是一种特殊类型的材料，它既有其他材料的共性，又有自己的特殊性，这给矿物材料的分类带来一定的困难。一些学者从不同角度提出过不同的矿物材料分类方案［4，12-16］，这些方案可归纳为如下类型：①按材料状态的分类，分为单晶、多晶、非晶、复合、分散材料；②按用途和行业的分类，分为玻璃、陶瓷、耐火材料等；③按材料工艺的分类，分为机械加工材料、化学处理材料、热处理材料、水热处理材料、熔融处理材料、胶结处理材料、烧结处理材料等，或分为熔浆型、烧结型和胶凝型材料。以上分类方案各有优缺点，一个共同的问题是都未考虑与其他材料类型的关系，与通用的材料分类方法不能衔接，因此既不被矿物材料学界所接受也不被其他材料界认可。为此，本书作者认为［18］，作为一种特殊类型的材料，矿物材料可以在通用的材料分类方法基础上，考虑矿物材料的成分、结构、性能特点和实际应用情况进行综合分类。 具体分类方案如下： 1．根据材料的成分、结构和性质划分 材料按物理化学属性可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。绝大多数矿物材料属无机非金属材料，也有极少数矿物材料属金属材料(由金属矿物制备，如辉钼矿)，矿物材料也可以与其他类型材料复合，制备以矿物材料为主要或重要组分的复合材料(如果复合材料原料非以矿物为主，该复合材料不属于矿物材料)。因此矿物材料按成分、结构和性质可划分可分为矿物无机非金属材料、矿物金属材料、矿物复合材料三类，每一类可以根据情况进一步划分。 2．根据材料的性质和用途划分 材料按用途可分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。因此矿物材料可分为矿物结构材料(如石材)和矿物功能材料(绝大多数矿物材料)。矿物功能材料又可以进一步分为环境矿物材料、医用/医学矿物材料、能源矿物材料等。 此外，还可按状态分为单晶矿物材料、多晶矿物质材料。还有体积矿物材料(矿物填料)、纳米矿物材料、多孔矿物材料等材料类型。 1.2环境、新能源矿物材料及其研究意义 环境材料是指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能够改善环境的材料［19］。环境协调性是指资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用率高。 环境矿物材料是指以天然矿物岩石为主要原料，在制备和使用过程中能与环境相容和协调、或在废弃后可被环境降解、或对环境有一定净化和修复功能的材料［20］。矿物用于环保目的历史悠久，20世纪90年代后更是备受关注，新技术、新材料、新应用成果层出不穷。环境矿物材料种类繁多，涉及面广，包括环境净化和修复材料、与环境相容的绿色材料等，但*主要的是可用于环境净化和修复的材料。 广义地说，凡是能源工业及能源技术所需的材料都可称为能源材料。但在新材料领域，能源材料往往指那些正在发展的、可能支持建立新能源系统、满足各种新能源及节能技术的特殊要求的材料。 能源材料的分类在国际上尚未见有明确的规定，可以按材料种类来分，也可以按用途来分。大体上可分为燃料(包括常规燃料、核燃料、合成燃料、炸药及推进剂等)、能源结构材料、能源功能材料等几大类。 按其使用目的又可以把能源材料分成能源工业材料、新能源材料、节能材料、储能材料等大类。 目前比较重要的新能源材料有： ①裂变反应堆材料：如铀、钚等核燃料、反应堆结构材料、慢化剂、冷却剂及控制棒材料等。 ②聚变堆材料：包括热核聚变燃料、**壁材料、氚增值剂、结构材料等。 ③高能推进剂：包括液体推进剂、固体推进剂。 ④燃料电池材料：如电池电极材料、电解质及电解质薄膜等。质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜。 ⑤氢能源材料：主要是固体储氢材料。氢是无污染、高效的理想能源，氢的利用关键是氢的储存与运输，美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆及其渗漏，在运输中也易爆炸，储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。 ⑥超导材料：传统超导材料、高温超导材料。 ⑦太阳能电池材料。IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。 ⑧其他新能源材料：如风能、地热、磁流体发电技术中所需的材料。 新能源矿物材料指那些以天然矿物岩石为主要原料制备的能支持建立新能源系统、满足各种新能源及节能技术的特殊要求的材料。 能源和环境是当今世界的两大主题，是一个国家或社会可持续发展的重要支柱，是经济社会发展、国家安全和人民健康生活的重要保障。改革开放以来，我国经济发展迅速，但环境污染、能源短缺问题也随之日趋严重。 我国的环境污染范围广、污染类型多、污染危害大。例如，我国城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标；二氧化硫污染保持在较高水平；机动车尾气污染物排放总量大；氮氧化物污染呈加重趋势；全国形成华中、西南、华东、华南多个酸雨区，以华中酸雨区为重。数据显示，自有统计以来我国总计排放污水13000多亿m3，占全国水资源总量近1/2［21］。我国辽河、海河、淮河、黄河、松花江、珠江、长江7大水系均有不同程度的污染，其中辽河、淮河、黄河、海河流域70%以上河段受到污染。据相关资料显示，全国有近2000万km2耕地受到各种重金属和农业污染，受污染的耕地面积约占我国耕地总面积的20%［22］。 通过不断的新旧能源改革发展，我国逐步形成了全球*大的能源供应体系，建成了以煤炭为主体，以电力为中心，以石油、天然气和可再生能源全面发展的能源供应格局。化石能源依然是我国能源供应的主体，从2019年我国能源消费结构来看，以煤炭、石油和天然气为主的化石能源占比达84.7%。新能源和可再生能源快速发展，我国可再生能源和清洁能源消费在总能源消费中的占比逐年提高，天然气消费量在能源消费总量中的占比为8.2%，非化石能源消费量的占比为15.2%，而电力在终端能源消费的比重提高到25.5%。但我国的能源发展仍然面临诸多问题，主要包括：化石能源开发引起生态环境破坏；温室气体减排面临挑战；能源利用效率总体偏低；能源安全形势依然严峻。能源绿色开发利用是贯彻落实能源安全战略的重要任务［23］。 迫于全球气候变化、生态环境恶化以及资源紧缺等问题，世界各国都高度重视环境保护与污染治理，重视新能源开发利用和节能减排工作。 环境保护与治理、新能源开发利用和节能减排有赖于相应的材料和技术，因此大力发展环境与新能源材料具有重要意义。而大力开展和加强环境与新能源矿物材料研究，可充分发挥一些矿物的成分、结构、性能优势和天然矿物的资源优势，制备性能优异、成本低廉的环境、新能源矿物材料，对加强环境保护、减少环境污染、缓解能源短缺和发展矿物功能材料等均具极大的促进作用。 1.3环境、新能源矿物材料研究进展 近十年我国环境、新能源矿物材料研究发展迅速，新型材料不断涌现，应用领域不断拓展，已经成为矿物材料活跃的前沿领域。 1.3.1环境矿物材料