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基于蒙脱土矿物的几种生态环境材料的制备性能及应用研究

发布日期:2015-06-08 17:44:40
针对目前膨润土资源幵发利用存在的技术落后、资源利用率低、环 境污染严重、产业链短、产品性能落后、工艺能耗高等问题,以生态设计思想 为指导,按照不同的膨润土原矿特点,研宄开发资源利用率高、能源消耗少、 对环境友好、产品性能优良的膨润土深加工清洁生产工艺。通过上述工艺得到 使用性能优良、环境协调性好、附加值高的新型蒙脱土生态环境材料,并评价 所制得的材料性能以及其在费托合成催化过程的应用。本文的研究内容主要包 括三部分:(1)不含方英石膨润土深加工工艺研宄;(2)富含方英石膨润土深 加工工艺研究;(3)有机蒙脱土在费托合成中的应用研宄。
主要工作如下:
(1)针对于不含方英石的膨润土综合利用难题,采用提纯和改型同步进行 的湿法钠化工艺制备高纯蒙脱土,通过对湿法改型工艺中的反应条件对产品质 量的影响以及它们之间的关系的研宄,确定出最佳的单元操作条件,最终得到 蒙脱石含量高达95.6%的高纯钠基蒙脱土。进而,针对其湿法提纯工艺中“脱水 难”的问题,在考虑膨润土的物理化学性质的基础上,依据结构以及性质的不 同,选择了五种天然有机高分子絮凝剂羧甲基淀粉钠、羧化壳聚糖瓜尔胶羟丙基瓜尔胶、阳离子瓜尔胶,利用分光光度法考察了不同絮凝剂对高纯钠基 膨润土矿浆的絮凝性质,并依据其絮凝性质的差别探讨了五种絮凝剂絮凝膨润 土的絮凝机理。以膨润土湿法提纯后得到的钠基膨润土浆液为原料,以氧化钙和氯化钙为胶化剂制备了钠基膨润土无机凝胶。比较了胶化剂类型、用量、时 间、转速等条件对凝胶性能的影响,并依据其凝胶性能的差别探讨了钠基膨润 土无机凝胶的胶化机理。以轉基膨润土原矿为起点,制备出吸水快、吸水量大、 白度高、强度高的膨润土猫砂。
(2)针对富含方英石膨润土的提纯难题,研宄使用碱法提纯方案有效地实 现了富含方英石膨润土矿产资源的经济、高效、可持续利用。所制备的高纯蒙 脱土其蒙脱石含量高达97%。为了尽可能提高资源的利用率及实现废弃物的资 源化利用,研宄以上述富含方英石膨润土碱法提取液为原料使用沉淀法制备白 炭黑及纳米二氧化硅。考察不同沉淀剂的沉淀效果,研究反应温度、pH值、浓 度、反应时间对白炭黑产品性能及产率的影响。研究不同表面活性剂对所得纳 米二氧化硅的粒径的影响,确定了富含方英石膨润土碱法提取液的最佳沉淀方 法及条件。该工艺不仅实现了富含方英石膨润土碱法提取废液的回收利用,而 且实现了资源循环利用,提高了生产效益,又没有对环境造成污染,体现了绿 色工艺的思想。
(3)使用有机修饰剂改性后的蒙脱土作为新型载体用于费托合成研究, 得益于优良的热稳定性、独特的气体阻隔性和温度开关的性质。有机修饰剂作 为催化剂活性组分的有机保护层可以简单有效地实现催化剂反应状态的原位隔 离和保护,从而被成功应用于对钴基费托合成反应过程的详细研宄。就像将古 代生物原始状态保存完好的的琥珀一样,聚合物链在原位固化隔离和保护了实 际催化剂的结构,以确保离位分析的催化剂状态充分代表了真实催化剂的工作 状态。使得费托合成研究中仍然存在争议的一些关键问题得以解决,如还原过 程中的钴纳米粒子的相变和团聚、费托反应中活性相态的变化、费托催化剂结构与性能的关系等得以阐明。通过设计不同的有机改性剂,我们可以通过传统 的离位表征技术表征各种催化反应的催化剂在真实反应条件下的纳米结构,为 将来其它催化体系的研宄开辟了 一条新途径。
材料(Materials)是指经过某种加工过程,具有一定结构、组分和性能,并可应用于一 定用途的物质。某一种新材料的问世及应用,往往会引起人类社会的重大变革。据此历史学 家把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代……而半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用, 则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会[12]。基于材料对社会发展的重大作用,当前信 息、能源和材料被并列为现代文明和生活的三大支柱。在三大支柱中,材料又是能源和信息 的基础。因此材料是人类生存和生活必不可少的部分,是国民经济和社会发展的物质基础和 先导,是直接推动社会发展的动力。正是材料的使用、发现和发明,才使人类在与自然界的 不断斗争中,走出了混沌蒙昧的时代,发展到科学技术高度发达的今天。可以说,现代文明 就是一个大量地生产和使用材料的过程。材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要 里程碑。没有材料科学的发展,就不会有人类社会的进步和经济的繁荣[3]。
世界经济的快速发展和人类生活水平的不断提高对材料及其产品的需求日益增长。在我 国,材料产业历来都被列入国民经济的基础性、关键性的支柱产业之一,受到国家政府的重 视,并得到了大力发展。中国的材料产业,包括钢铁、有色金属、化工、建材等主要行业, 自建国以来均得以迅猛发展,成为支持国民经济发展和国防现代化的基础产业以及发展高新 技术的支柱和关键。据统计,我国几种主要的原材料产量已连续几年位列世界前沿。尽管我 国是一个材料生产和消费大国,但由于资金、技术、管理等原因造成大量资源的不合理开发 和利用,导致效率低下,浪费严重,而且在开发利用的技术水平、广度和深度及资源效益、 经济效应和环境效应上,与国际先进水平仍有相当大的差距[4]。
随着时代的进步和发展,传统材料已越来越难以适应今天可持续发展的要求。一方面, 传统的材料从设计制造、使用到最后废弃的过程中带来了诸如资源枯竭、能源短缺、环境污 染、生态破坏等等一系列问题。这些问题严重已成为阻碍国民经济持续、稳定发展的主要因 素,目前己经引起国际社会的高度重视。另一方面,人们过多地追求了材料的使用性能,而 对材料的生产、使用和废弃过程中需要消耗大量的资源和能源却没有节制,其结果必然是给
环境带来的压力越来越大,对环境造成的污染越来越严重[3,5]。统计数字(表1-1)表明传统 材料及其制品的制造、使用和废弃过程是造成当今世界能源短缺、资源过度消耗和枯竭以及 环境污染的主要原因之一[M]。随着人类文明进程的不断发展和“可持续发展战略”的提出, 客观现实要求人类从环境保护角度出发,重新认识和评价人类过去在材料研宄、开发、使用 和回收等方面的行为,实现材料的绿色设计和绿色制造日益成为关注的热点[3]。
表1-1我国材料产业对能源及环境的影响(2005年数据)
Tab. 1 -1 The influences of materials industry on enei^y and environment in china (2005 data)
材料种类能源消耗 /万吨标准煤工业废水 /万吨工业废气 /亿立米固体废物 /万吨二氧化硫 /力' 吨烟尘 /万吨粉尘 /万吨
矿品采选业13251.511674157254871441.123.640.3
化学原料及制品制造业22494.07339052158879233116.853.617.5
化学纤维制造业134248516288634211.54.60.1
非金属矿物制造业18849.9448248498603237178.4133.9565.7
黑色金属冶炼及加工业35998.231699345619023506142.269.3125.7
有色金属冶炼及加工业7188.693373413183477970.719.218.7
金属制品业2220.38210578461212.61.71
合计102383.4278568814571790067569308.5769
占全国总量百分数/%65.7132.3354.1766.9926.2532.5184.41
1生态环境材料
残酷的现实要求人类必须转换发展思路,重新反省过去研宄、开发、使用材料的不足。 人们需要从保护环境的角度出发,探索和开发具有良好使用性能或功能、资源或能源消耗较 低且能与环境相协调的材料及其制品。随着人们对材料与环境如何协调发展的问题的日益重 视,生态环境材料(Ecomaterials)便应运而生卜12】。
生态环境材料的概念(图1-丨)[13_14]最早由日本东京大学山本良一教授等在1990年10 月一次关于材料服务于人类生活、行为的未来状况与环境关系的讨论会上提出[1K12]。目前有 关生态环境材料的范围和定义在国际上还没有形成统一的说法,但按照有关的研宄报道和生 态环境材料的要求,总结认为生态环境材料主要具有以下特征[11]: (1)节约能源,通过具有 更优异的性能(如轻质、耐热、绝热功能、能量转换等)实现提高能量效率,即通过改善材 料性能降低能量消耗从而达到节能;(2)节约资源,通过更优异的性能(强度、耐磨损、耐
热、绝热性、催化性等)可降低材料消耗,从而节约资源;(3)可重复使用,材料产品收集 后,如需再次使用该产品的性质,仅需要净化过程如清洗、灭菌、磨光和表面处理等即可实 现;(4)可循环再生,材料产品经过收集,重新处理后作为另一种新产品使用;(5)结构可 靠性,材料使用时具有不会发生任何断裂或意外的性质,是通过其可靠的机械性能(强度、 延展性、刚度、硬度、蠕变等)实现的;(6)化学稳定性,材料在很长的使用时间内通过抑 制其在使用环境中(暴风雨、化学、光、氧气、水、土壤、温度、细菌等)的化学降解实现 的稳定性;(7)生物安全性,材料在使用中不对动植物和生态系统造成危害的性质;(8)有 毒、有害替代,可以用来替代已经在环境中传播并引起环境污染的材料;(9)舒适性,材料 在使用时能给人提供舒适感的性质,包括抗振性、吸收性、抗菌性、湿度控制、除臭性等;
环境清洁、治理功能,材料具有的对污染物探测、分离、固定、移动或解毒以便净化 废气、废水和粉尘等的性质。
图1-1生态环境材料的概念。
Fig. 1-1 The concept of ecomaterials.
现在较为普遍的观点认为,生态环境材料应是同时具有满意的使用性能和优良的环境协 调性,或者是能够改善环境的材料。所谓环境协调性,是指对资源和能源消耗少、对环境污 染小和循环再生利用率高[15_24]。保护资源、保护环境是全人类的共同使命。人口膨胀、资源 短缺和环境恶化是当今人类社会面临的三大问题。这些问题的积累加剧了人类与自然的矛盾, 并已对社会经济的持续发展和人类自身的生存构成新的障碍。由此可见,材料产业的发展必须走资源、能源和环境三者相协调的可持续发展之路[11]。
对于生态环境材料的合成与加工工艺,需要把节约资源、保护环境的意识贯穿和渗透于 材料和产品及加工制备工艺的设计之中,实现材料从资源、能源、成分、制备、使用到循环 再生过程中的环境协调设计即生态设计(Eco-design) [7]。生态设计是指在材料和产品的设计 中将保护生态、人类健康和安全的意识有机地融入其中的设计方法,是按照环境协调性、物 化性质和功能特性设计和制备新材料,设计最佳的制备和加工方法[7,11]。
以往污染物的排放量远远超过了自然界的容量和自净能力,从而导致环境污染事故频发,生 态环境遭到严重破坏[25]。面对人类生存环境的不断恶化,环境保护在全世界范围内兴起。面 对严重的工业污染、能源危机、生态环境遭受破坏这一系列的问题,工业界不得不从自然排 放、稀释排放转向治理污染,即针对生产末端产生的污染物开发的有效治理技术一一末端治 理[25-261。这种“先污染、后治理”的“末端治理”模式虽然取得了一定的环境保护效果,但 并没有从根本上解决经济高速发展对资源和环境造成的巨大压力,资源短缺、环境污染和生 态破坏日益加剧127 28]。
表丨-2清洁生产与末端治理的比较[12]
Tab. 1-2 The comparison of cleaner production and cnd-of-pipe treatment1,21
比较项冃清洁生产系统末端治理系统
思考方法污染物消除在生产过程中污染物产生后再处理
产生时代20世纪80年代末期20世纪70~80年代
控制过程生产及产品全过程控制污染物达标排放控制
控制效果比较稳定产污量影响处理效果
产污量明显减少间接可推动减少
排污量减少减少
资源利用率增加无显著变化
保护全人类共同的家园,已成为全人类的共识,并逐渐汇成了当今世界的可持续发展的 潮流。正是在可持续发展思想、理念及其实践的逐步形成与不断发展的历史大背景下,基于 对传统“末端治理”的环境污染控制实践的反思,清洁生产应运而生,并成为支持可持续发 展的有力战略措施1989年,联合国环境规划署为促进工业可持续发展,在总结工业污染 防治正反两方面经验教训的基础上,首次提出清洁生产(Cleaner Production)的概念[25_32]。 1998年,联合国环境规划署进一步完善了清洁生产的定义:清洁生产是将综合性预防的环境 战略持续地应用于生产过程、产品和服务中,以提高效率,降低对人类和环境的危害。对生 产过程来说,清洁生产是指通过节约能源和资源,淘汰有害原料,减少废物和有害物质的产 生和排放;对产品来说,清洁生产是指降低产品全生命周期,即从原材料开采到寿命终结的 处置的整个过程对人类和环境的影响[25,27,32$]。我国于2003年开始实施的《清洁生产促进法》 把国际惯例与中国实际相结合,对清洁生产的概念进行了科学的界定:“清洁生产是指不断采 取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备'改善管理、综合利用等 措施,从源头削减污染,提高资源利用效率,减少或避免生产、服务和产品使用过程中污染 物的产生与排放,以减轻或消除对人类健康和环境的危害"。
清洁生产是生态环境材料在工业生产中的具体实施方案。因此,清洁生产的概念中不仅 包含了环境友好性,还包括技术可行性、经济可盈利性和社会可持续发展性。在环境方面可 直接表现为在生产过程中尽可能减少排放物和废弃物的数量和毒性,并减少或消除产品在整 个生命周期对环境的危害和污染;在经济方面则表现为节约资源能源、降低生产成本、提高 产品质量和增加产品的市场竞争力等;在技术方面则表现为在生产过程中将综合预防的环境 策略贯彻其中,不断开发新技术、改进新工艺,减少对人类和环境的危害;通过实施清洁生 产,最终实现人类社会的可持续发展。