非金属矿物材料在低碳经济进程中的定位与持续发展

万 朴

（西南科技大学矿物材料及应用研究所，四川 绵阳 621010）

非金属矿物材料在低碳经济进程中的定位与持续发展

万 朴

（西南科技大学矿物材料及应用研究所，四川 绵阳 621010）

本文从低碳经济和低碳技术的全球发展形势，着重阐述低碳经济需要多轨并行互补发展——重视非金属矿与矿物材料产业节能属性的优势和贡献；矿物材料及非金属矿工业产业体系在发展广域低碳经济中具有衍生与辐射效应两个层面，以非金属矿工业发展理念和丰富的实例进行了论述，提出了应对低碳经济挑战的建议。

非金属矿工业；矿物材料；低碳经济

从人类安全和经济与社会持续发展层面正式提出“低碳经济”观念和政策指导性方案始于英国2003年能源白皮书《我们能源的未来：创建低碳经济》，到哥本哈根会议及其筹备期间，发展低碳经济和低碳技术就已变成为全球可持续发展的指令性共同责任了。

从中国能源结构和现实能耗看，低碳经济就是以低能耗、低污染为基础的经济。一切节能技术，包括环保技术都可称为低碳技术。

非金属矿工业包含了矿产资源与采掘—基础加工与制品—精细加工与工艺技术—矿物材料的长链产业体系。在应对低碳经济挑战中，非金属矿工业完全可能发挥自身优势，大有作为。

1 低碳经济需要多轨并行互补发展——重视非金属矿与矿物材料产业节能属性的优势和贡献

发展低碳经济，一方面需要能源结构改革、新能源开发、二氧化碳减排、二氧化碳固持并循环利用等直接降低碳排放的企业所组成的主导性方面军；另一方面，需要各行各业节能、减排，减少资源浪费，维护生态环境，组成多种产业协同，发展低碳技术体系的同盟大军，其中就包括了非金属矿产及其矿物材料的重要贡献。多路大军的协同互补发展，才能加快我国在低碳大气环境理念下的经济发展和社会进步进程。

非金属矿工业在资源利用上的天然节能属性优势和矿物材料的后天功能化、智能化新产品研发的两个层面上，有着极大的创新潜能。这是非金属矿工业产业链的上游和下游两个端部产业群在节能、减排、降耗、环保上的特殊优势与持续发展基因。

(1)非金属矿产主要是利用矿物和岩石自身的结构特性和物理、化学性质，具有总体低能耗属性，其采、选、加工和部分制品生产过程，与金属矿产资源开发不同，基本不采用高温熔炼的高耗能加工工艺。

(2)非金属矿工业的资源渠道广阔，不只来自原矿矿山，也来自金属和化石类能源矿床的废弃资源和转化资源(如煤矸石、煤系高岭土、粉煤灰；部分金属尾矿、冶炼炉渣；工业副产物等)，在节省资源、采掘能耗、废石复用等诸多方面发挥着综合节能和降低环境负荷的作用。

(3)非金属矿物具有性能可控改造的自优化潜能。例如，一些非金属矿物和岩石因原有结构特征或经改造所表现的疏松多孔、容重小、吸湿性差、导热率低，具有保温、隔热、吸附等天然性能，可降低能耗，产出三类优质保温材料：①天然非金属矿物(岩石)保温材料：如纤蛇纹石石棉、海泡石石棉、硅藻土、浮岩等，具有保温材料的天然特性，仅需成型处理即可用作保温材料；②改型非金属矿物(岩石)保温材料：一些原本不具保温隔热性能的矿物，经过一定的加工工艺处理可改变性状，成为导热率低、保温性能好的材料。如：膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、膨胀页岩、石膏保温制品等；③保温用岩矿制品：某些岩石(矿物)经熔融等工艺可生成保温隔热制品。如岩(矿)棉、硅酸铝纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、微孔硅酸钙、泡沫陶瓷、陶粒、空心微珠(漂珠)等。属先耗能，后产生保温功能的长效节能制品。

(4)以粘土类为主的一些非金属矿产，颗粒很细，比表面积很大，吸附性、多孔性和阳离子交换性好，具有节能、降耗、环保功效。如蒙脱石、蛭石、坡缕石、海泡石、沸石等及其改性、改型产物，可用作催化剂和催化剂载体，提高反应速度和产品质量，节约能源；可有效地吸附有害气体；可用以过滤富营养水体；可用作放射性元素和重金属元素的吸收剂和固定剂，可作大面积油污的处理剂等。

(5)一些非金属矿物的微孔结构特性可演生节能效应。不同微孔结构的非金属矿物和矿物材料都具有“呼吸”功能、贮热功能、水-水蒸汽转换功能，可因此调整小空间的气温、湿度和热辐射，是很有前景的环境协调和节能矿物材料。

(6)一些非金属矿物具有助熔、促熔作用。如萤石、白云石用作熔炼工程的助熔剂；长石、硅灰石、透闪石作为陶瓷坯体和面釉的促熔剂，节能功效显著。

(7)非金属矿具有较宽泛的亲合性和复合功能，广泛用作填料、添加剂、复合材料基元物质，降低产品材耗和能耗。

(8)非金属矿物材料是地球自净化能力的基本物质。土壤中粘土矿物的吸附性、过滤性、絮凝性、离子交换性及中和性，对农田“三废”降解和物质流平衡有直接功效。粘土矿物通过改性、改型与复合处理，还可以处理工业及生活排放的“三废”，有利资源循环利用，降低能源消耗。

(9)非金属矿山的地下废弃采空区对碳封存具有利用潜能。低碳技术界认为，注入地下岩层是碳封存四种方法之一，预计这种方式可埋存105亿t二氧化碳，可能处理未来100年全球的二氧化碳总量。

(10)石灰石等碳酸盐矿物在有害气体排放与调控方面，有双重性。石灰石(CaCO3)等碳酸盐矿物在加工和应用过程中的化学反应会释放出大量CO2。水泥生产用石灰石所排放的CO2最严重(我国水泥用石灰石年消耗达10亿t以上)。此外，碳酸盐矿物在超细加工中可因晶格破坏而产生CO2排放问题。

但另一方面，石灰石、水镁石等呈碱性的非金属矿物和生石灰、MgO都能与工业排放的酸酐类有害气体(SOx、NOx、CO等)发生中和反应，达到清除废气，减少包括温室气体及酸雾等有害气体排放的目的。

碳酸盐矿物的加工利用需要重视趋利避害。

2 矿物材料及非金属矿工业产业体系在发展广域低碳经济中具有衍生与辐射效应

非金属矿物材料不同于一般矿产制品的突出特点：①研究和提升矿物自身结构、成分、性能的优势，进行材料功能设计与微结构调控的潜能开发；②吸纳多学科、多行业的技术成果，开发功能化、智能化、环境协调力的矿物材料新产品，包含节能、降耗的精细化系列产品；③利用微粒尺寸效应和表面与界面特性，研发以非金属矿粉体为基元材料的高新复合材料；④基础理论研究与实际功能产品开发紧密结合，具显著前瞻创新性。

非金属矿物材料学科和产业能够在资源创新、材料创新、产品创新上对非金属矿工业产生牵引效应、衍生效应和跨行业的辐射效应。

2.1 开发新能、节能、降耗性的功能矿物材料实例

(1)石墨功能材料。

核能系统需要熔点高、稳定、耐腐蚀性的减速材料(慢化剂)。石墨具有上述性能和中子减速功能，它与重水并列为原子反应堆中最常用的慢化剂。

做防垢防锈功能材料：石墨能防止锅炉结垢；建筑和管道的石墨涂层可防腐、防锈，有高效节能、降耗功能。

美国首先研究成功柔性石墨密封材料，解决了原子能阀门泄漏问题。现在，具特殊柔性和弹性功能的石墨材料，已广泛用于石油化工、原子能等多众工业领域，成为高效优质密封、节能材料。

最近，我国有科学家用复合技术和新能源，以天然石墨为晶种，用纳米级沥青包覆，使用微波能源的节能工艺，研制了高质量电极用石墨材料。

(2)沸石型太阳能制冷用矿物材料。

太阳能制冷新技术是用太阳能驱动的冷却装置，需要沸石等具有吸附(收)水蒸汽的功能材料，使室内水分持续吸收—蒸发，通过热交换器就可冷却室内空气，产生制冷效应[1]。

(3)节能建筑用矿物材料。

例如，节能建筑要使用石膏微封装相变物质制作的储能材料，以增加建筑物的热容量，而不必安装人工冷却系统；节能建筑还使用可调节透射率的多功能玻璃(具备光偏转控制功能)和透气的微孔陶瓷材料[1]。

(4)新型锂电池隔离材料。

锂电池是广泛应用的移动能源。但原有产品存在缺点：热稳定性和机械稳定性不够好，对超负荷反应敏感。

新型陶瓷隔离层是多孔陶瓷膜层，具有优良疏水性、电极润湿性能，厚度仅30μm。将其用作锂电池隔离层后，即使在高温情况下也能保持电池稳定。可用作电动车、船舰网络系统、航空航天和潜艇的电源[1]。

2.2 矿物材料在发展低碳经济中的应用基础研究和技术创新

(1)矿物材料专家们重视研究非金属矿物的性能与晶体化学、微观结构及成分调整与改造的关系，探索功能创新。例如，许多非金属矿物(沸石、凹凸棒石、海泡石、蒙脱石、蛭石等)具有特殊的表面化学性能，如催化性、吸附性、离子交换性、抗渗性等，可用以制成催化剂载体、助滤剂、净化剂、脱色剂。如蒙脱石防水剂用于建筑物、水坝、垃圾填埋场等的抗渗性地基处理。蛭石、蒙脱石对大半径阳离子有固定功能，可用作放射性阳离子的吸附剂和固定剂，处理放射性污染问题。硅灰石具单链结构，其结构与晶体化学特性及诱导性断键、电荷待补偿带可提升材料活性，改进应用功能。如补强功能、优良热稳定性、电绝缘性、化学稳定性和低吸水率、吸油率；其界面特性用在陶瓷生成中，可保持微排气通道，从而降低烧成温度和烧成周期；硅灰石通过单掺杂和共掺杂技术，可生产高效无辐射能量传递的发光材料(如多种发光玻璃和发光陶瓷)，是节能新光源[2]。

(2)有学者提出了功能微集料和生态功能基元材料的“基因”、“材料芯片”概念，深入研究了材料表面/界面物理规律以及材料物理化学属性、环境材料属性、生态材料属性，实现材料的性能复合、定向改造与功能优化[3]。

例如，利用噪音和电磁辐射的波成污染特征，采用相应孔级配的矿物表面和表面导电、表面电离、防辐射作用来吸收屏蔽各种电磁波、防氡、防辐射，消除对听觉、皮肤、器官的损伤，可开发多种矿物净化材料；利用天然多孔材料和纤维材料有强吸附作用、强脱水作用、机械刺入作用以及所吸附的贵金属离子和短波长光线的杀伤作用等功能的开发，研制吸附脱尘、吸附杀伤的活性生物材料。

(3)有的团队研究矿物材料的结构组装、掺杂与功能设计及新工艺，并用于新材料开发。例如，利用矿物孔隙结构进行功能粒子组装。他们组装有光催化性能的TiO2粒子,提高光催化降解的功效,制成天然矿物型有机污染物降解材料；可复合小孔、中孔、大孔的孔结构，使不同大小的孔径组装，扩大光催化剂TiO2的承载面积，提高吸附性能；通过纳米微米层次上的结构组装工程，在天然矿物中制造功能粒子，获得能扑集有机污染物的功能空间。这类矿物材料没有二次污染，对节能和环境治理有积极贡献[4]。

(4)在层状结构矿物及其矿物材料的研究开发方面。具有层间域和层间可交换离子、分子的结构特征的矿物及其插层改造的技术，不仅已广泛用于粘土矿物，也可用于云母、蛇纹石、石墨、辉钼矿等具有层状结构的其他非金属矿物和金属矿物的功能改造。例如，有的团队研究了蛭石的钠化、有机插层处理、纳米分散原理和技术，研发了导电型聚合物/蛭石纳米复合材料[5]，并进一步研究其高强度、高模量、高韧性、对油类或气体的高阻隔性等功能的开发，在交通、电子、环保等行业拓展了应用空间。一些研究者已对石墨、辉钼矿采用聚合插层技术，研发了相应的聚合物/纳米复合材料。此外有的专家还进行了基于一些矿物的层状结构所导生的光学性能研究：用片状集合体白云母、绢云母制成1～100nm的二维纳米材料，用于建筑外墙涂料，改善涂层的机械性能，提高涂料的耐老化、抗紫外线性能，能防止龟裂。

(5)处理工业废弃物的矿物材料开发。Ca、Mg硅酸盐可多价螯合CO2，处理工业排放的CO2。荷兰能源研究中心的专家已研究了工业碱性废弃物(如钢渣等)和城市固体废弃物灰渣吸收工业CO2的工艺和废弃物衍生产物的应用。这些废弃物碳酸盐化后(如生成Ca、Mg碳酸盐)，pH值由原来的10～12降为8，所生成的新矿物组合，又可用于吸收有害气体。

(6)其他。在非金属矿物材料合成和产品生产工艺创新方面也在不断涌现新进展和新成果。

3 非金属矿工业应对低碳经济挑战的几点建议

3.1 非金属矿工业特点

从实际出发，发挥优势，直面问题，科学决策面对低碳经济的行业改革发展进程。能源工业和非金属矿工业作为资源主导型产业，有共性的一面(能源是各种工业的动力源，非金属矿是各种工业的物质源)，非金属矿工业又有着自身的特殊性和下列现实状况。

(1)我国非金属矿工业已形成了由长链产业群及其相应的科技、人才工程和贸易系统所组成的工业体系。有了完好的行业组织和持续较快发展的基础条件，但需要加快由大变强的新思维和更有效政策的引导。

(2)从宏观层面上看能源、金属、非金属三大类资源主导型工业体系，非金属矿工业在总体上是有害气体、有害元素的低排放产业；矿山废石、尾矿渣总体上相对较少，矿山和下游产业的废弃物再生资源化潜力大。

(3)非金属矿产资源品种多，总量大，优势矿种多，市场拓展潜力大；但不少采、选、加工、制品企业的生产较粗旷，普遍存在粉尘超标等环境问题、资源浪费问题和重复能耗问题。

(4)绝大多数的非金属矿资源分布在山区，受地域经济、科技环境制约较大；非金属矿工业产业链各段产业发展不平衡，生产集中度低，代表行业整体实力和先进产业链科技水平的大型综合型企业数量少。

(5)非金属矿工业的中、小企业多，是弱点；但矿山伴生矿产资源较丰富多样，非金属矿工业企业具有灵活拓展的空间，又是发展的潜在优势条件。

3.2 建议

(1)进一步统一全行业在发展理念上的认识。

一是提升规模化集团竞争力。要下力气组建一批能覆盖资源，矿产制品，矿物材料的综合矿业与材料集团公司，形成现代非金属矿工业产业强势板块，带动行业产业群全面协调发展。

二是强化科技牵动效应。构建以企业为主体，产、学、研结合的行业技术创新体系和新产品研发基地，为全行业技术进步、产品升值提供开放平台。

例如，以具有非金属矿特色优势资源群的大区为单元，建立以大型企业为经济支撑和市场激活园区，以大学和科研院所相关专家为智源，统筹组建非金属矿资源开发利用研究中心和新技术、新产品试验基地。

三是提倡非金属矿工业现代企业理念与行为准则，培育企业文化。形成特色质量，严格能耗，维护环境，创新绩效的行风。

(2)要遵循非金属矿工业自身的经济运行规律，着眼长足发展。

一是遵循非金属矿行业性质及其产业链环互动法则，抓好非金属矿物原料产业的现代化和矿物材料产业创新、延展与市场活力这两个端部产业群的龙头企业培育，高水平互动发展。

二是立足资源分布实际，利用多种经济成分能量，因地制宜发展中型非金属矿工业产业，扶持与农村城镇发展相结合的小型精细制品产业，开拓“三农”非金属矿产品和矿物材料消费市场。

规模较小，布点分散，不等于容忍落后。要严格完善各环节的系列标准，加强质量管理。

三是加强科学管理，是应对挑战的关键。建议协会精心组织非金属工业企业家的系统培训。建立行业培训基地，实施分层次、有行业特色的培训计划。

(3)低碳经济发展的进程不可能采用单一路径，需要行业正确抉择。

开发行业低碳技术，要理性思维，把握原则：一要为人类长久生存、健康发展负责，积极推进；二是要符合实际，能保证国家、地区的持续稳定发展，坚持自身特色发展，避免搞简单摹仿。

作为工业化中期阶段的发展中国家，总能耗和人均能耗还会有增加。由“高碳”向“低碳”经济转变，还受到配套科技水平滞后，高端研发能力和经济条件的制约。建议分片区、分阶段组织企业家为主体的专题调研与讨论，科学设计行业生产的低碳化进程。

国际业界和发达国家政府早已十分重视并认识到非金属矿产的人均消费量在一定程度上是衡量一个国家经济与生活水平高低的重要指标。我国非金属矿工业一定能在应对低碳经济的挑战中做到正确定位，积极进取，创造行业发展的新亮点。

[1][德]布凌格(王河新等译).未来世界的100种变化[M].北京:科学出版社,2005:206-209.

[2]万朴.非金属矿产业发展的几个重要问题[J].中国非金属矿工业导刊,2007,(1).

[3]董发勤,邓跃全,等.生态功能基元材料及其复合建材集成技术[M].电子科技大学出版社,2008.

[4]传秀云,卢先初,龚平.天然矿物材料的多孔结构、结构组装和光催化性能[J].地学前缘,2005,12(1):188-193.

[5]孙金梅,彭同江,孙红娟.有机蛭石的制备及应用研究现状[J].材料导报,2007,21(3):50-53.

The Orientation and Sustainable Development of Non-metallic Mineral Material During the Processing of a Low Carbon Economy(LCE)

Wan Pu
(Research Institute of Mineral Material and Application, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China)

From the developing features of LCE and LCT, the author discussed with developing ideal and varied cases that the muti-track developing simultaneously is necessary for LCE, the significance of superiority and contribution of non-metallic mineral and its material on save energy property, the derivative and radiation effect of non-metallic mineral material and non-metallic mineral industry property system during LCE developing, and put forward some proposal for facing the challenge of LCE.

non-metallic mineral industry; mineral material; LCE

TB32;X37

A

1007-9386(2010)02-0003-04

2010-01-26