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環境與新能源礦物材料 版權信息
- ISBN：9787030745880
- 條形碼：9787030745880 ; 978-7-03-074588-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
環境與新能源礦物材料 內容簡介
本書介紹了礦物材料的定義和分類，綜述了環境礦物材料（特別是水處理、土壤重金屬污染治理礦物材料），基于礦物的發光材料，二次電池、電容器用礦物材料，新型礦物保溫材料和工業固體廢棄物綜合利用的研究進展，重點介紹了作者在以上領域的主要研究成果。全書共分6章，分別是緒論、環境礦物材料、電化學儲能礦物材料、基于礦物的發光材料、新型礦物保溫材料、基于工業固體廢棄物的礦物材料。
環境與新能源礦物材料 目錄
目錄
序一
序二
前言
第1章緒論1
1.1礦物材料概述1
1.1.1礦物材料的定義及內涵1
1.1.2礦物材料的分類2
1.2環境、新能源礦物材料及其研究意義3
1.3環境、新能源礦物材料研究進展5
1.3.1環境礦物材料5
1.3.2新能源礦物材料9
1.3.3礦物材料基礎研究11
1.4環境、新能源礦物材料發展方向13
1.4.1隔熱防火礦物復合材料13
1.4.2大氣污染治理礦物材料13
1.4.3礦物固碳材料13
1.4.4新能源礦物材料14
參考文獻15
第2章環境礦物材料23
2.1環境礦物材料及其研究進展23
2.1.1環境礦物材料的定義及分類23
2.1.2環境礦物材料研究進展24
2.2新型環境礦物材料研究與應用31
2.2.1地表污水處理礦物材料31
2.2.2PRB介質礦物材料109
2.2.3污染物檢測礦物材料144
2.2.4土壤重金屬污染治理礦物材料153
參考文獻172
第3章電化學儲能礦物材料179
3.1電化學儲能概述179
3.1.1典型二次電池180
3.1.2超級電容器195
3.2電化學儲能用礦物材料研究進展198
3.2.1二次電池用礦物材料研究進展198
3.2.2超級電容器用礦物材料研究進展219
3.3電化學儲能礦物新材料研究與應用224
3.3.1二次電池電極材料224
3.3.2超級電容器電極材料252
3.4總結與展望268
參考文獻270
第4章基于礦物的發光材料289
4.1發光材料簡介289
4.1.1發光概念289
4.1.2發光材料分類289
4.1.3光致發光過程291
4.1.4發光材料的性能表征292
4.1.5發光材料合成制備方法297
4.1.6發光材料的應用299
4.2基于礦物的發光新材料研究303
4.2.1螢石結構發光材料304
4.2.2冰晶石結構發光材料322
4.2.3磷灰石結構發光材料361
4.2.4白磷鈣石結構發光材料385
4.2.5輝石結構發光材料400
4.2.6有機發光小分子/黏土礦物復合發光材料410
參考文獻434
第5章新型礦物保溫材料445
5.1保溫材料及其分類445
5.1.1有機保溫材料445
5.1.2無機保溫材料447
5.1.3復合保溫材料448
5.2礦物保溫材料研究進展449
5.2.1膨脹珍珠巖保溫材料研究進展449
5.2.2膨脹蛭石保溫材料研究進展451
5.2.3地質聚合物保溫材料研究進展453
5.2.4其他礦物保溫材料研究進展454
5.3新型礦物保溫材料研究與應用455
5.3.1發泡珍珠巖保溫材料456
5.3.2發泡黑曜巖保溫材料498
5.3.3發泡松脂巖保溫材料505
5.3.4發泡高嶺石保溫材料513
5.3.5地質聚合物傳熱機理研究518
5.3.6膨脹珍珠巖保溫材料研究528
參考文獻541
第6章基于工業固體廢棄物的礦物材料545
6.1工業固體廢棄物545
6.1.1工業固體廢棄物處置和利用的重要性545
6.1.2工業固體廢棄物來源分類547
6.1.3工業固體廢棄物處理利用原則547
6.2我國工業固體廢棄物綜合利用研究現狀548
6.2.1工業固體廢棄物產生源及特征分析548
6.2.2工業固體廢棄物綜合利用現狀549
6.3工業固體廢棄物綜合利用技術550
6.3.1制備建筑材料550
6.3.2冶煉金屬原料559
6.3.3回收能源560
6.3.4制備農用材料561
6.4石墨尾礦制備燒結磚的工藝與機理研究563
6.4.1尾礦的定義及利用方法563
6.4.2石墨尾礦的產生和影響564
6.4.3石墨尾礦綜合利用的研究進展565
6.4.4石墨尾礦燒結磚的制備研究567
6.5石墨尾礦制備抗靜電橡膠填料的研究591
6.5.1原料與材料制備方法591
6.5.2尾礦復合粉體-丁苯橡膠復合材料的制備與表征598
6.6有色金屬冶煉渣制備膠凝材料的研究609
6.6.1材料和制備方法609
6.6.2結果與討論612
參考文獻633
序一
序二
前言
第1章緒論1
1.1礦物材料概述1
1.1.1礦物材料的定義及內涵1
1.1.2礦物材料的分類2
1.2環境、新能源礦物材料及其研究意義3
1.3環境、新能源礦物材料研究進展5
1.3.1環境礦物材料5
1.3.2新能源礦物材料9
1.3.3礦物材料基礎研究11
1.4環境、新能源礦物材料發展方向13
1.4.1隔熱防火礦物復合材料13
1.4.2大氣污染治理礦物材料13
1.4.3礦物固碳材料13
1.4.4新能源礦物材料14
參考文獻15
第2章環境礦物材料23
2.1環境礦物材料及其研究進展23
2.1.1環境礦物材料的定義及分類23
2.1.2環境礦物材料研究進展24
2.2新型環境礦物材料研究與應用31
2.2.1地表污水處理礦物材料31
2.2.2PRB介質礦物材料109
2.2.3污染物檢測礦物材料144
2.2.4土壤重金屬污染治理礦物材料153
參考文獻172
第3章電化學儲能礦物材料179
3.1電化學儲能概述179
3.1.1典型二次電池180
3.1.2超級電容器195
3.2電化學儲能用礦物材料研究進展198
3.2.1二次電池用礦物材料研究進展198
3.2.2超級電容器用礦物材料研究進展219
3.3電化學儲能礦物新材料研究與應用224
3.3.1二次電池電極材料224
3.3.2超級電容器電極材料252
3.4總結與展望268
參考文獻270
第4章基于礦物的發光材料289
4.1發光材料簡介289
4.1.1發光概念289
4.1.2發光材料分類289
4.1.3光致發光過程291
4.1.4發光材料的性能表征292
4.1.5發光材料合成制備方法297
4.1.6發光材料的應用299
4.2基于礦物的發光新材料研究303
4.2.1螢石結構發光材料304
4.2.2冰晶石結構發光材料322
4.2.3磷灰石結構發光材料361
4.2.4白磷鈣石結構發光材料385
4.2.5輝石結構發光材料400
4.2.6有機發光小分子/黏土礦物復合發光材料410
參考文獻434
第5章新型礦物保溫材料445
5.1保溫材料及其分類445
5.1.1有機保溫材料445
5.1.2無機保溫材料447
5.1.3復合保溫材料448
5.2礦物保溫材料研究進展449
5.2.1膨脹珍珠巖保溫材料研究進展449
5.2.2膨脹蛭石保溫材料研究進展451
5.2.3地質聚合物保溫材料研究進展453
5.2.4其他礦物保溫材料研究進展454
5.3新型礦物保溫材料研究與應用455
5.3.1發泡珍珠巖保溫材料456
5.3.2發泡黑曜巖保溫材料498
5.3.3發泡松脂巖保溫材料505
5.3.4發泡高嶺石保溫材料513
5.3.5地質聚合物傳熱機理研究518
5.3.6膨脹珍珠巖保溫材料研究528
參考文獻541
第6章基于工業固體廢棄物的礦物材料545
6.1工業固體廢棄物545
6.1.1工業固體廢棄物處置和利用的重要性545
6.1.2工業固體廢棄物來源分類547
6.1.3工業固體廢棄物處理利用原則547
6.2我國工業固體廢棄物綜合利用研究現狀548
6.2.1工業固體廢棄物產生源及特征分析548
6.2.2工業固體廢棄物綜合利用現狀549
6.3工業固體廢棄物綜合利用技術550
6.3.1制備建筑材料550
6.3.2冶煉金屬原料559
6.3.3回收能源560
6.3.4制備農用材料561
6.4石墨尾礦制備燒結磚的工藝與機理研究563
6.4.1尾礦的定義及利用方法563
6.4.2石墨尾礦的產生和影響564
6.4.3石墨尾礦綜合利用的研究進展565
6.4.4石墨尾礦燒結磚的制備研究567
6.5石墨尾礦制備抗靜電橡膠填料的研究591
6.5.1原料與材料制備方法591
6.5.2尾礦復合粉體-丁苯橡膠復合材料的制備與表征598
6.6有色金屬冶煉渣制備膠凝材料的研究609
6.6.1材料和制備方法609
6.6.2結果與討論612
參考文獻633
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環境與新能源礦物材料 節選
第1章緒論 1.1礦物材料概述 社會發展程度的標志之一是非金屬礦產值及消費量超過金屬礦產。改革開放以來，我國非金屬礦產業發展迅速，20世紀90年代初，我國非金屬礦產值及消費量超過了金屬礦產。與此同時，非金屬礦深加工及應用研究也不斷發展和深入，20世紀80年代初，開始出現“巖石礦物材料”“礦物巖石材料”“礦物材料”“礦物功能材料”“納米礦物材料”“生物礦物材料”“特種礦物材料”等術語［1-17］，并逐步形成了“礦物材料學”這一新興邊緣學科。由于礦物功能材料在國家社會、經濟發展中的重要性和不可替代性，國務院2016年印發的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中，礦物功能材料被確定為特色資源新材料，成為國家大力發展的戰略性新興產業之一。 然而自“巖石礦物材料”“礦物巖石材料”“礦物材料”等術語出現和使用以來，不同學者給出了不同的定義，關于“礦物材料”的定義及其內涵至今意見不盡統一，不僅影響對礦物材料的分類、影響礦物材料的學術研究與交流，而且一定程度上還影響礦物材料學的學科發展，影響非金屬礦工業的發展。因此作者在分析總結已提出的各種“礦物材料”定義的基礎上，提出一種新的礦物材料定義及礦物材料分類方案。 1.1.1礦物材料的定義及內涵 自20世紀80年代初提出“礦物材料”的概念至今，學者們已給出了十余種“礦物材料”或“巖石礦物材料”的定義［2-4，6，7，10-17］，人們對“礦物材料”或“巖石礦物材料”的認識不斷深入并逐步統一，但也存在分歧和問題。基于前人提出的“礦物材料”定義，并考慮到各種定義存在的問題，本書作者提出了以下礦物材料定義［18］。 狹義礦物材料：可直接利用其物理、化學性能的天然礦物巖石，或以天然礦物巖石為主要原料加工、制備而成，而且組成、結構、性能和使用效能與天然礦物巖石原料存在直接繼承關系的材料。 該定義具有以下特點和含義： ①包括可直接利用其物理、化學性能的天然礦物巖石，這是所有學者的共識。 ②由天然礦物巖石為原料加工、制備而成的材料，強調了以“天然礦物巖石”為主要原料。因此像以粉煤灰等為原料制備的材料不屬于狹義礦物材料。 ③由天然礦物巖石為原料加工、制備而成的材料，強調了材料組成、結構、性能和使用效能與天然礦物巖石原料存在直接繼承關系，因此將“加工、制備”限制在不根本改變天然礦物巖石的成分、結構和性能的范疇，較過去“不以提煉金屬和化工原料為目的的制備與合成”等提法更加嚴密、科學。 ④所定義的礦物材料一定是“以礦物為主要或重要組分”的材料。 根據以上定義，狹義礦物材料應包括兩類：一類是可直接利用物理、化學性能的天然礦物巖石，如天然石材、天然礦物晶體、天然寶玉石等；另一類是以天然礦物巖石為主要原料加工、制備而成，而且組成、結構、性能和使用效能與天然礦物巖石原料存在直接繼承關系的材料，包括天然礦物巖石粉體及各種改性的天然礦物巖石材料(如表面改性天然礦物巖石填料、有機插層和無機柱撐黏土礦物、煅燒高嶺石等)。狹義礦物材料不包括天然礦物巖石充填的橡膠、塑料或涂料，因為這些材料不是以天然礦物巖石為主要原料；也不包括水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等，因為它們雖然以天然礦物巖石為主要原料，但材料的組成、結構、性能和使用效能與天然礦物巖石原料不存在直接繼承關系。 廣義礦物材料：以礦物巖石為主要原料加工、制備的材料。該定義的特點及含義如下： ①廣義礦物材料的原料必須以礦物巖石為主，礦物巖石原料包括天然的和非天然的。 ②廣義礦物材料的組分不一定是礦物(包括人工合成礦物)。 ③廣義礦物材料的組成、結構、性能和使用效能與礦物巖石原料可以不存在直接繼承關系。 按此定義，廣義礦物材料除包括以上定義的狹義礦物材料外，還包括水泥、以礦物巖石為原料制備的陶瓷、以礦物巖石為原料制備的玻璃、以礦物巖石為原料制備的耐火材料、以礦物巖石為原料制備的人工晶體、以礦物巖石為原料制備的人工礦物巖石材料(如以石墨為原料制備的金剛石)，以及由工業固體廢棄物(人工礦物巖石)制備的材料等。但不包括以非礦物巖石為主要原料加工、制備的材料，如以CH4等為碳源制備的金剛石薄膜等。 1.1.2礦物材料的分類 由礦物材料定義可知，礦物材料是一種特殊類型的材料，它既有其他材料的共性，又有自己的特殊性，這給礦物材料的分類帶來一定的困難。一些學者從不同角度提出過不同的礦物材料分類方案［4，12-16］，這些方案可歸納為如下類型：①按材料狀態的分類，分為單晶、多晶、非晶、復合、分散材料；②按用途和行業的分類，分為玻璃、陶瓷、耐火材料等；③按材料工藝的分類，分為機械加工材料、化學處理材料、熱處理材料、水熱處理材料、熔融處理材料、膠結處理材料、燒結處理材料等，或分為熔漿型、燒結型和膠凝型材料。以上分類方案各有優缺點，一個共同的問題是都未考慮與其他材料類型的關系，與通用的材料分類方法不能銜接，因此既不被礦物材料學界所接受也不被其他材料界認可。為此，本書作者認為［18］，作為一種特殊類型的材料，礦物材料可以在通用的材料分類方法基礎上，考慮礦物材料的成分、結構、性能特點和實際應用情況進行綜合分類。 具體分類方案如下： 1．根據材料的成分、結構和性質劃分 材料按物理化學屬性可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。絕大多數礦物材料屬無機非金屬材料，也有極少數礦物材料屬金屬材料(由金屬礦物制備，如輝鉬礦)，礦物材料也可以與其他類型材料復合，制備以礦物材料為主要或重要組分的復合材料(如果復合材料原料非以礦物為主，該復合材料不屬于礦物材料)。因此礦物材料按成分、結構和性質可劃分可分為礦物無機非金屬材料、礦物金屬材料、礦物復合材料三類，每一類可以根據情況進一步劃分。 2．根據材料的性質和用途劃分 材料按用途可分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。因此礦物材料可分為礦物結構材料(如石材)和礦物功能材料(絕大多數礦物材料)。礦物功能材料又可以進一步分為環境礦物材料、醫用/醫學礦物材料、能源礦物材料等。 此外，還可按狀態分為單晶礦物材料、多晶礦物質材料。還有體積礦物材料(礦物填料)、納米礦物材料、多孔礦物材料等材料類型。 1.2環境、新能源礦物材料及其研究意義 環境材料是指同時具有滿意的使用性能和優良的環境協調性，或者能夠改善環境的材料［19］。環境協調性是指資源和能源消耗少，環境污染小和循環再利用率高。 環境礦物材料是指以天然礦物巖石為主要原料，在制備和使用過程中能與環境相容和協調、或在廢棄后可被環境降解、或對環境有一定凈化和修復功能的材料［20］。礦物用于環保目的歷史悠久，20世紀90年代后更是備受關注，新技術、新材料、新應用成果層出不窮。環境礦物材料種類繁多，涉及面廣，包括環境凈化和修復材料、與環境相容的綠色材料等，但*主要的是可用于環境凈化和修復的材料。 廣義地說，凡是能源工業及能源技術所需的材料都可稱為能源材料。但在新材料領域，能源材料往往指那些正在發展的、可能支持建立新能源系統、滿足各種新能源及節能技術的特殊要求的材料。 能源材料的分類在國際上尚未見有明確的規定，可以按材料種類來分，也可以按用途來分。大體上可分為燃料(包括常規燃料、核燃料、合成燃料、炸藥及推進劑等)、能源結構材料、能源功能材料等幾大類。 按其使用目的又可以把能源材料分成能源工業材料、新能源材料、節能材料、儲能材料等大類。 目前比較重要的新能源材料有： ①裂變反應堆材料：如鈾、钚等核燃料、反應堆結構材料、慢化劑、冷卻劑及控制棒材料等。 ②聚變堆材料：包括熱核聚變燃料、**壁材料、氚增值劑、結構材料等。 ③高能推進劑：包括液體推進劑、固體推進劑。 ④燃料電池材料：如電池電極材料、電解質及電解質薄膜等。質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜。 ⑤氫能源材料：主要是固體儲氫材料。氫是無污染、高效的理想能源，氫的利用關鍵是氫的儲存與運輸，美國能源部在全部氫能研究經費中，大約有50%用于儲氫技術。氫對一般材料會產生腐蝕，造成氫脆及其滲漏，在運輸中也易爆炸，儲氫材料的儲氫方式是能與氫結合形成氫化物，當需要時加熱放氫，放完后又可以繼續充氫的材料。目前的儲氫材料多為金屬化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。 ⑥超導材料：傳統超導材料、高溫超導材料。 ⑦太陽能電池材料。IBM公司研制的多層復合太陽能電池，轉換率高達40%。 ⑧其他新能源材料：如風能、地熱、磁流體發電技術中所需的材料。 新能源礦物材料指那些以天然礦物巖石為主要原料制備的能支持建立新能源系統、滿足各種新能源及節能技術的特殊要求的材料。 能源和環境是當今世界的兩大主題，是一個國家或社會可持續發展的重要支柱，是經濟社會發展、國家安全和人民健康生活的重要保障。改革開放以來，我國經濟發展迅速，但環境污染、能源短缺問題也隨之日趨嚴重。 我國的環境污染范圍廣、污染類型多、污染危害大。例如，我國城市大氣環境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標；二氧化硫污染保持在較高水平；機動車尾氣污染物排放總量大；氮氧化物污染呈加重趨勢；全國形成華中、西南、華東、華南多個酸雨區，以華中酸雨區為重。數據顯示，自有統計以來我國總計排放污水13000多億m3，占全國水資源總量近1/2［21］。我國遼河、海河、淮河、黃河、松花江、珠江、長江7大水系均有不同程度的污染，其中遼河、淮河、黃河、海河流域70%以上河段受到污染。據相關資料顯示，全國有近2000萬km2耕地受到各種重金屬和農業污染，受污染的耕地面積約占我國耕地總面積的20%［22］。 通過不斷的新舊能源改革發展，我國逐步形成了全球*大的能源供應體系，建成了以煤炭為主體，以電力為中心，以石油、天然氣和可再生能源全面發展的能源供應格局。化石能源依然是我國能源供應的主體，從2019年我國能源消費結構來看，以煤炭、石油和天然氣為主的化石能源占比達84.7%。新能源和可再生能源快速發展，我國可再生能源和清潔能源消費在總能源消費中的占比逐年提高，天然氣消費量在能源消費總量中的占比為8.2%，非化石能源消費量的占比為15.2%，而電力在終端能源消費的比重提高到25.5%。但我國的能源發展仍然面臨諸多問題，主要包括：化石能源開發引起生態環境破壞；溫室氣體減排面臨挑戰；能源利用效率總體偏低；能源安全形勢依然嚴峻。能源綠色開發利用是貫徹落實能源安全戰略的重要任務［23］。 迫于全球氣候變化、生態環境惡化以及資源緊缺等問題，世界各國都高度重視環境保護與污染治理，重視新能源開發利用和節能減排工作。 環境保護與治理、新能源開發利用和節能減排有賴于相應的材料和技術，因此大力發展環境與新能源材料具有重要意義。而大力開展和加強環境與新能源礦物材料研究，可充分發揮一些礦物的成分、結構、性能優勢和天然礦物的資源優勢，制備性能優異、成本低廉的環境、新能源礦物材料，對加強環境保護、減少環境污染、緩解能源短缺和發展礦物功能材料等均具極大的促進作用。 1.3環境、新能源礦物材料研究進展 近十年我國環境、新能源礦物材料研究發展迅速，新型材料不斷涌現，應用領域不斷拓展，已經成為礦物材料活躍的前沿領域。 1.3.1環境礦物材料
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