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環(huán)境與新能源礦物材料 版權(quán)信息
- ISBN:9787030745880
- 條形碼:9787030745880 ; 978-7-03-074588-0
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
環(huán)境與新能源礦物材料 內(nèi)容簡介
本書介紹了礦物材料的定義和分類,綜述了環(huán)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(fā)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(yè)固體廢棄物綜合利用的研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了作者在以上領(lǐng)域的主要研究成果。全書共分6章,分別是緒論、環(huán)境礦物材料、電化學(xué)儲(chǔ)能礦物材料、基于礦物的發(fā)光材料、新型礦物保溫材料、基于工業(yè)固體廢棄物的礦物材料。
環(huán)境與新能源礦物材料 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(nèi)涵1
1.1.2礦物材料的分類2
1.2環(huán)境、新能源礦物材料及其研究意義3
1.3環(huán)境、新能源礦物材料研究進(jìn)展5
1.3.1環(huán)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(chǔ)研究11
1.4環(huán)境、新能源礦物材料發(fā)展方向13
1.4.1隔熱防火礦物復(fù)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(xiàn)15
第2章環(huán)境礦物材料23
2.1環(huán)境礦物材料及其研究進(jìn)展23
2.1.1環(huán)境礦物材料的定義及分類23
2.1.2環(huán)境礦物材料研究進(jìn)展24
2.2新型環(huán)境礦物材料研究與應(yīng)用31
2.2.1地表污水處理礦物材料31
2.2.2PRB介質(zhì)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(xiàn)172
第3章電化學(xué)儲(chǔ)能礦物材料179
3.1電化學(xué)儲(chǔ)能概述179
3.1.1典型二次電池180
3.1.2超級(jí)電容器195
3.2電化學(xué)儲(chǔ)能用礦物材料研究進(jìn)展198
3.2.1二次電池用礦物材料研究進(jìn)展198
3.2.2超級(jí)電容器用礦物材料研究進(jìn)展219
3.3電化學(xué)儲(chǔ)能礦物新材料研究與應(yīng)用224
3.3.1二次電池電極材料224
3.3.2超級(jí)電容器電極材料252
3.4總結(jié)與展望268
參考文獻(xiàn)270
第4章基于礦物的發(fā)光材料289
4.1發(fā)光材料簡介289
4.1.1發(fā)光概念289
4.1.2發(fā)光材料分類289
4.1.3光致發(fā)光過程291
4.1.4發(fā)光材料的性能表征292
4.1.5發(fā)光材料合成制備方法297
4.1.6發(fā)光材料的應(yīng)用299
4.2基于礦物的發(fā)光新材料研究303
4.2.1螢石結(jié)構(gòu)發(fā)光材料304
4.2.2冰晶石結(jié)構(gòu)發(fā)光材料322
4.2.3磷灰石結(jié)構(gòu)發(fā)光材料361
4.2.4白磷鈣石結(jié)構(gòu)發(fā)光材料385
4.2.5輝石結(jié)構(gòu)發(fā)光材料400
4.2.6有機(jī)發(fā)光小分子/黏土礦物復(fù)合發(fā)光材料410
參考文獻(xiàn)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(jī)保溫材料445
5.1.2無機(jī)保溫材料447
5.1.3復(fù)合保溫材料448
5.2礦物保溫材料研究進(jìn)展449
5.2.1膨脹珍珠巖保溫材料研究進(jìn)展449
5.2.2膨脹蛭石保溫材料研究進(jìn)展451
5.2.3地質(zhì)聚合物保溫材料研究進(jìn)展453
5.2.4其他礦物保溫材料研究進(jìn)展454
5.3新型礦物保溫材料研究與應(yīng)用455
5.3.1發(fā)泡珍珠巖保溫材料456
5.3.2發(fā)泡黑曜巖保溫材料498
5.3.3發(fā)泡松脂巖保溫材料505
5.3.4發(fā)泡高嶺石保溫材料513
5.3.5地質(zhì)聚合物傳熱機(jī)理研究518
5.3.6膨脹珍珠巖保溫材料研究528
參考文獻(xiàn)541
第6章基于工業(yè)固體廢棄物的礦物材料545
6.1工業(yè)固體廢棄物545
6.1.1工業(yè)固體廢棄物處置和利用的重要性545
6.1.2工業(yè)固體廢棄物來源分類547
6.1.3工業(yè)固體廢棄物處理利用原則547
6.2我國工業(yè)固體廢棄物綜合利用研究現(xiàn)狀548
6.2.1工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生源及特征分析548
6.2.2工業(yè)固體廢棄物綜合利用現(xiàn)狀549
6.3工業(yè)固體廢棄物綜合利用技術(shù)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(nóng)用材料561
6.4石墨尾礦制備燒結(jié)磚的工藝與機(jī)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(chǎn)生和影響564
6.4.3石墨尾礦綜合利用的研究進(jìn)展565
6.4.4石墨尾礦燒結(jié)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(fù)合粉體-丁苯橡膠復(fù)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(jié)果與討論612
參考文獻(xiàn)633
環(huán)境與新能源礦物材料 節(jié)選
第1章緒論 1.1礦物材料概述 社會(huì)發(fā)展程度的標(biāo)志之一是非金屬礦產(chǎn)值及消費(fèi)量超過金屬礦產(chǎn)。改革開放以來,我國非金屬礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,20世紀(jì)90年代初,我國非金屬礦產(chǎn)值及消費(fèi)量超過了金屬礦產(chǎn)。與此同時(shí),非金屬礦深加工及應(yīng)用研究也不斷發(fā)展和深入,20世紀(jì)80年代初,開始出現(xiàn)“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(shù)語[1-17],并逐步形成了“礦物材料學(xué)”這一新興邊緣學(xué)科。由于礦物功能材料在國家社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性和不可替代性,國務(wù)院2016年印發(fā)的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)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(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。 然而自“巖石礦物材料”“礦物巖石材料”“礦物材料”等術(shù)語出現(xiàn)和使用以來,不同學(xué)者給出了不同的定義,關(guān)于“礦物材料”的定義及其內(nèi)涵至今意見不盡統(tǒng)一,不僅影響對(duì)礦物材料的分類、影響礦物材料的學(xué)術(shù)研究與交流,而且一定程度上還影響礦物材料學(xué)的學(xué)科發(fā)展,影響非金屬礦工業(yè)的發(fā)展。因此作者在分析總結(jié)已提出的各種“礦物材料”定義的基礎(chǔ)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(nèi)涵 自20世紀(jì)80年代初提出“礦物材料”的概念至今,學(xué)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(duì)“礦物材料”或“巖石礦物材料”的認(rèn)識(shí)不斷深入并逐步統(tǒng)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(xué)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(jié)構(gòu)、性能和使用效能與天然礦物巖石原料存在直接繼承關(guān)系的材料。 該定義具有以下特點(diǎn)和含義: ①包括可直接利用其物理、化學(xué)性能的天然礦物巖石,這是所有學(xué)者的共識(shí)。 ②由天然礦物巖石為原料加工、制備而成的材料,強(qiáng)調(diào)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(qiáng)調(diào)了材料組成、結(jié)構(gòu)、性能和使用效能與天然礦物巖石原料存在直接繼承關(guān)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(jié)構(gòu)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(yán)密、科學(xué)。 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(jù)以上定義,狹義礦物材料應(yīng)包括兩類:一類是可直接利用物理、化學(xué)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(jié)構(gòu)、性能和使用效能與天然礦物巖石原料存在直接繼承關(guān)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(jī)插層和無機(jī)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?yàn)檫@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?yàn)樗鼈冸m然以天然礦物巖石為主要原料,但材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能和使用效能與天然礦物巖石原料不存在直接繼承關(guān)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(diǎn)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(jié)構(gòu)、性能和使用效能與礦物巖石原料可以不存在直接繼承關(guān)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(yè)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(xué)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(tài)的分類,分為單晶、多晶、非晶、復(fù)合、分散材料;②按用途和行業(yè)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(jī)械加工材料、化學(xué)處理材料、熱處理材料、水熱處理材料、熔融處理材料、膠結(jié)處理材料、燒結(jié)處理材料等,或分為熔漿型、燒結(jié)型和膠凝型材料。以上分類方案各有優(yōu)缺點(diǎn),一個(gè)共同的問題是都未考慮與其他材料類型的關(guān)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(xué)界所接受也不被其他材料界認(rèn)可。為此,本書作者認(rèn)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(chǔ)上,考慮礦物材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行綜合分類。 具體分類方案如下: 1.根據(jù)材料的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)劃分 材料按物理化學(xué)屬性可分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料。絕大多數(shù)礦物材料屬無機(jī)非金屬材料,也有極少數(shù)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(fù)合,制備以礦物材料為主要或重要組分的復(fù)合材料(如果復(fù)合材料原料非以礦物為主,該復(fù)合材料不屬于礦物材料)。因此礦物材料按成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可劃分可分為礦物無機(jī)非金屬材料、礦物金屬材料、礦物復(fù)合材料三類,每一類可以根據(jù)情況進(jìn)一步劃分。 2.根據(jù)材料的性質(zhì)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(shí)際應(yīng)用中又常分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ),用以制造以受力為主的構(gòu)件。結(jié)構(gòu)材料也有物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的要求,如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等,根據(jù)材料用途不同,對(duì)性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對(duì)外界變化產(chǎn)生的不同反應(yīng)而制成的一類材料。如半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、光電子材料、磁性材料等。因此礦物材料可分為礦物結(jié)構(gòu)材料(如石材)和礦物功能材料(絕大多數(shù)礦物材料)。礦物功能材料又可以進(jìn)一步分為環(huán)境礦物材料、醫(yī)用/醫(yī)學(xué)礦物材料、能源礦物材料等。 此外,還可按狀態(tài)分為單晶礦物材料、多晶礦物質(zhì)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(huán)境、新能源礦物材料及其研究意義 環(huán)境材料是指同時(shí)具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性,或者能夠改善環(huán)境的材料[19]。環(huán)境協(xié)調(diào)性是指資源和能源消耗少,環(huán)境污染小和循環(huán)再利用率高。 環(huán)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(huán)境相容和協(xié)調(diào)、或在廢棄后可被環(huán)境降解、或?qū)Νh(huán)境有一定凈化和修復(fù)功能的材料[20]。礦物用于環(huán)保目的歷史悠久,20世紀(jì)90年代后更是備受關(guān)注,新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用成果層出不窮。環(huán)境礦物材料種類繁多,涉及面廣,包括環(huán)境凈化和修復(fù)材料、與環(huán)境相容的綠色材料等,但*主要的是可用于環(huán)境凈化和修復(fù)的材料。 廣義地說,凡是能源工業(yè)及能源技術(shù)所需的材料都可稱為能源材料。但在新材料領(lǐng)域,能源材料往往指那些正在發(fā)展的、可能支持建立新能源系統(tǒng)、滿足各種新能源及節(jié)能技術(shù)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(guī)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(guī)燃料、核燃料、合成燃料、炸藥及推進(jìn)劑等)、能源結(jié)構(gòu)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(yè)材料、新能源材料、節(jié)能材料、儲(chǔ)能材料等大類。 目前比較重要的新能源材料有: ①裂變反應(yīng)堆材料:如鈾、钚等核燃料、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)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?nèi)剂稀?*壁材料、氚增值劑、結(jié)構(gòu)材料等。 ③高能推進(jìn)劑:包括液體推進(jìn)劑、固體推進(jìn)劑。 ④燃料電池材料:如電池電極材料、電解質(zhì)及電解質(zhì)薄膜等。質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜。 ⑤氫能源材料:主要是固體儲(chǔ)氫材料。氫是無污染、高效的理想能源,氫的利用關(guān)鍵是氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸,美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費(fèi)中,大約有50%用于儲(chǔ)氫技術(shù)。氫對(duì)一般材料會(huì)產(chǎn)生腐蝕,造成氫脆及其滲漏,在運(yùn)輸中也易爆炸,儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫方式是能與氫結(jié)合形成氫化物,當(dāng)需要時(shí)加熱放氫,放完后又可以繼續(xù)充氫的材料。目前的儲(chǔ)氫材料多為金屬化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。 ⑥超導(dǎo)材料:傳統(tǒng)超導(dǎo)材料、高溫超導(dǎo)材料。 ⑦太陽能電池材料。IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池,轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。 ⑧其他新能源材料:如風(fēng)能、地?zé)?、磁流體發(fā)電技術(shù)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(tǒng)、滿足各種新能源及節(jié)能技術(shù)的特殊要求的材料。 能源和環(huán)境是當(dāng)今世界的兩大主題,是一個(gè)國家或社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要支柱,是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)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(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,但環(huán)境污染、能源短缺問題也隨之日趨嚴(yán)重。 我國的環(huán)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(huán)境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標(biāo);二氧化硫污染保持在較高水平;機(jī)動(dòng)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(gè)酸雨區(qū),以華中酸雨區(qū)為重。數(shù)據(jù)顯示,自有統(tǒng)計(jì)以來我國總計(jì)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(jù)相關(guān)資料顯示,全國有近2000萬km2耕地受到各種重金屬和農(nóng)業(yè)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(fā)展,我國逐步形成了全球*大的能源供應(yīng)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(fā)展的能源供應(yīng)格局。化石能源依然是我國能源供應(yīng)的主體,從2019年我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看,以煤炭、石油和天然氣為主的化石能源占比達(dá)84.7%。新能源和可再生能源快速發(fā)展,我國可再生能源和清潔能源消費(fèi)在總能源消費(fèi)中的占比逐年提高,天然氣消費(fèi)量在能源消費(fèi)總量中的占比為8.2%,非化石能源消費(fèi)量的占比為15.2%,而電力在終端能源消費(fèi)的比重提高到25.5%。但我國的能源發(fā)展仍然面臨諸多問題,主要包括:化石能源開發(fā)引起生態(tài)環(huán)境破壞;溫室氣體減排面臨挑戰(zhàn);能源利用效率總體偏低;能源安全形勢依然嚴(yán)峻。能源綠色開發(fā)利用是貫徹落實(shí)能源安全戰(zhàn)略的重要任務(wù)[23]。 迫于全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境惡化以及資源緊缺等問題,世界各國都高度重視環(huán)境保護(hù)與污染治理,重視新能源開發(fā)利用和節(jié)能減排工作。 環(huán)境保護(hù)與治理、新能源開發(fā)利用和節(jié)能減排有賴于相應(yīng)的材料和技術(shù),因此大力發(fā)展環(huán)境與新能源材料具有重要意義。而大力開展和加強(qiáng)環(huán)境與新能源礦物材料研究,可充分發(fā)揮一些礦物的成分、結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)勢和天然礦物的資源優(yōu)勢,制備性能優(yōu)異、成本低廉的環(huán)境、新能源礦物材料,對(duì)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、減少環(huán)境污染、緩解能源短缺和發(fā)展礦物功能材料等均具極大的促進(jìn)作用。 1.3環(huán)境、新能源礦物材料研究進(jìn)展 近十年我國環(huán)境、新能源礦物材料研究發(fā)展迅速,新型材料不斷涌現(xiàn),應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,已經(jīng)成為礦物材料活躍的前沿領(lǐng)域。 1.3.1環(huán)境礦物材料
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