萬 樸

（西南科技大學礦物材料及應用研究所，四川 綿陽 621010）

非金屬礦物材料在低碳經濟進程中的定位與持續(xù)發(fā)展

萬 樸

（西南科技大學礦物材料及應用研究所，四川 綿陽 621010）

本文從低碳經濟和低碳技術的全球發(fā)展形勢，著重闡述低碳經濟需要多軌并行互補發(fā)展——重視非金屬礦與礦物材料產業(yè)節(jié)能屬性的優(yōu)勢和貢獻；礦物材料及非金屬礦工業(yè)產業(yè)體系在發(fā)展廣域低碳經濟中具有衍生與輻射效應兩個層面，以非金屬礦工業(yè)發(fā)展理念和豐富的實例進行了論述，提出了應對低碳經濟挑戰(zhàn)的建議。

非金屬礦工業(yè)；礦物材料；低碳經濟

從人類安全和經濟與社會持續(xù)發(fā)展層面正式提出“低碳經濟”觀念和政策指導性方案始于英國2003年能源白皮書《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經濟》，到哥本哈根會議及其籌備期間，發(fā)展低碳經濟和低碳技術就已變成為全球可持續(xù)發(fā)展的指令性共同責任了。

從中國能源結構和現實能耗看，低碳經濟就是以低能耗、低污染為基礎的經濟。一切節(jié)能技術，包括環(huán)保技術都可稱為低碳技術。

非金屬礦工業(yè)包含了礦產資源與采掘—基礎加工與制品—精細加工與工藝技術—礦物材料的長鏈產業(yè)體系。在應對低碳經濟挑戰(zhàn)中，非金屬礦工業(yè)完全可能發(fā)揮自身優(yōu)勢，大有作為。

1 低碳經濟需要多軌并行互補發(fā)展——重視非金屬礦與礦物材料產業(yè)節(jié)能屬性的優(yōu)勢和貢獻

發(fā)展低碳經濟，一方面需要能源結構改革、新能源開發(fā)、二氧化碳減排、二氧化碳固持并循環(huán)利用等直接降低碳排放的企業(yè)所組成的主導性方面軍；另一方面，需要各行各業(yè)節(jié)能、減排，減少資源浪費，維護生態(tài)環(huán)境，組成多種產業(yè)協(xié)同，發(fā)展低碳技術體系的同盟大軍，其中就包括了非金屬礦產及其礦物材料的重要貢獻。多路大軍的協(xié)同互補發(fā)展，才能加快我國在低碳大氣環(huán)境理念下的經濟發(fā)展和社會進步進程。

非金屬礦工業(yè)在資源利用上的天然節(jié)能屬性優(yōu)勢和礦物材料的后天功能化、智能化新產品研發(fā)的兩個層面上，有著極大的創(chuàng)新潛能。這是非金屬礦工業(yè)產業(yè)鏈的上游和下游兩個端部產業(yè)群在節(jié)能、減排、降耗、環(huán)保上的特殊優(yōu)勢與持續(xù)發(fā)展基因。

(1)非金屬礦產主要是利用礦物和巖石自身的結構特性和物理、化學性質，具有總體低能耗屬性，其采、選、加工和部分制品生產過程，與金屬礦產資源開發(fā)不同，基本不采用高溫熔煉的高耗能加工工藝。

(2)非金屬礦工業(yè)的資源渠道廣闊，不只來自原礦礦山，也來自金屬和化石類能源礦床的廢棄資源和轉化資源(如煤矸石、煤系高嶺土、粉煤灰；部分金屬尾礦、冶煉爐渣；工業(yè)副產物等)，在節(jié)省資源、采掘能耗、廢石復用等諸多方面發(fā)揮著綜合節(jié)能和降低環(huán)境負荷的作用。

(3)非金屬礦物具有性能可控改造的自優(yōu)化潛能。例如，一些非金屬礦物和巖石因原有結構特征或經改造所表現的疏松多孔、容重小、吸濕性差、導熱率低，具有保溫、隔熱、吸附等天然性能，可降低能耗，產出三類優(yōu)質保溫材料：①天然非金屬礦物(巖石)保溫材料：如纖蛇紋石石棉、海泡石石棉、硅藻土、浮巖等，具有保溫材料的天然特性，僅需成型處理即可用作保溫材料；②改型非金屬礦物(巖石)保溫材料：一些原本不具保溫隔熱性能的礦物，經過一定的加工工藝處理可改變性狀，成為導熱率低、保溫性能好的材料。如：膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、膨脹頁巖、石膏保溫制品等；③保溫用巖礦制品：某些巖石(礦物)經熔融等工藝可生成保溫隔熱制品。如巖(礦)棉、硅酸鋁纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、微孔硅酸鈣、泡沫陶瓷、陶粒、空心微珠(漂珠)等。屬先耗能，后產生保溫功能的長效節(jié)能制品。

(4)以粘土類為主的一些非金屬礦產，顆粒很細，比表面積很大，吸附性、多孔性和陽離子交換性好，具有節(jié)能、降耗、環(huán)保功效。如蒙脫石、蛭石、坡縷石、海泡石、沸石等及其改性、改型產物，可用作催化劑和催化劑載體，提高反應速度和產品質量，節(jié)約能源；可有效地吸附有害氣體；可用以過濾富營養(yǎng)水體；可用作放射性元素和重金屬元素的吸收劑和固定劑，可作大面積油污的處理劑等。

(5)一些非金屬礦物的微孔結構特性可演生節(jié)能效應。不同微孔結構的非金屬礦物和礦物材料都具有“呼吸”功能、貯熱功能、水-水蒸汽轉換功能，可因此調整小空間的氣溫、濕度和熱輻射，是很有前景的環(huán)境協(xié)調和節(jié)能礦物材料。

(6)一些非金屬礦物具有助熔、促熔作用。如螢石、白云石用作熔煉工程的助熔劑；長石、硅灰石、透閃石作為陶瓷坯體和面釉的促熔劑，節(jié)能功效顯著。

(7)非金屬礦具有較寬泛的親合性和復合功能，廣泛用作填料、添加劑、復合材料基元物質，降低產品材耗和能耗。

(8)非金屬礦物材料是地球自凈化能力的基本物質。土壤中粘土礦物的吸附性、過濾性、絮凝性、離子交換性及中和性，對農田“三廢”降解和物質流平衡有直接功效。粘土礦物通過改性、改型與復合處理，還可以處理工業(yè)及生活排放的“三廢”，有利資源循環(huán)利用，降低能源消耗。

(9)非金屬礦山的地下廢棄采空區(qū)對碳封存具有利用潛能。低碳技術界認為，注入地下巖層是碳封存四種方法之一，預計這種方式可埋存105億t二氧化碳，可能處理未來100年全球的二氧化碳總量。

(10)石灰石等碳酸鹽礦物在有害氣體排放與調控方面，有雙重性。石灰石(CaCO3)等碳酸鹽礦物在加工和應用過程中的化學反應會釋放出大量CO2。水泥生產用石灰石所排放的CO2最嚴重(我國水泥用石灰石年消耗達10億t以上)。此外，碳酸鹽礦物在超細加工中可因晶格破壞而產生CO2排放問題。

但另一方面，石灰石、水鎂石等呈堿性的非金屬礦物和生石灰、MgO都能與工業(yè)排放的酸酐類有害氣體(SOx、NOx、CO等)發(fā)生中和反應，達到清除廢氣，減少包括溫室氣體及酸霧等有害氣體排放的目的。

碳酸鹽礦物的加工利用需要重視趨利避害。

2 礦物材料及非金屬礦工業(yè)產業(yè)體系在發(fā)展廣域低碳經濟中具有衍生與輻射效應

非金屬礦物材料不同于一般礦產制品的突出特點：①研究和提升礦物自身結構、成分、性能的優(yōu)勢，進行材料功能設計與微結構調控的潛能開發(fā)；②吸納多學科、多行業(yè)的技術成果，開發(fā)功能化、智能化、環(huán)境協(xié)調力的礦物材料新產品，包含節(jié)能、降耗的精細化系列產品；③利用微粒尺寸效應和表面與界面特性，研發(fā)以非金屬礦粉體為基元材料的高新復合材料；④基礎理論研究與實際功能產品開發(fā)緊密結合，具顯著前瞻創(chuàng)新性。

非金屬礦物材料學科和產業(yè)能夠在資源創(chuàng)新、材料創(chuàng)新、產品創(chuàng)新上對非金屬礦工業(yè)產生牽引效應、衍生效應和跨行業(yè)的輻射效應。

2.1 開發(fā)新能、節(jié)能、降耗性的功能礦物材料實例

(1)石墨功能材料。

核能系統(tǒng)需要熔點高、穩(wěn)定、耐腐蝕性的減速材料(慢化劑)。石墨具有上述性能和中子減速功能，它與重水并列為原子反應堆中最常用的慢化劑。

做防垢防銹功能材料：石墨能防止鍋爐結垢；建筑和管道的石墨涂層可防腐、防銹，有高效節(jié)能、降耗功能。

美國首先研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題?，F在，具特殊柔性和彈性功能的石墨材料，已廣泛用于石油化工、原子能等多眾工業(yè)領域，成為高效優(yōu)質密封、節(jié)能材料。

最近，我國有科學家用復合技術和新能源，以天然石墨為晶種，用納米級瀝青包覆，使用微波能源的節(jié)能工藝，研制了高質量電極用石墨材料。

(2)沸石型太陽能制冷用礦物材料。

太陽能制冷新技術是用太陽能驅動的冷卻裝置，需要沸石等具有吸附(收)水蒸汽的功能材料，使室內水分持續(xù)吸收—蒸發(fā)，通過熱交換器就可冷卻室內空氣，產生制冷效應[1]。

(3)節(jié)能建筑用礦物材料。

例如，節(jié)能建筑要使用石膏微封裝相變物質制作的儲能材料，以增加建筑物的熱容量，而不必安裝人工冷卻系統(tǒng)；節(jié)能建筑還使用可調節(jié)透射率的多功能玻璃(具備光偏轉控制功能)和透氣的微孔陶瓷材料[1]。

(4)新型鋰電池隔離材料。

鋰電池是廣泛應用的移動能源。但原有產品存在缺點：熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性不夠好，對超負荷反應敏感。

新型陶瓷隔離層是多孔陶瓷膜層，具有優(yōu)良疏水性、電極潤濕性能，厚度僅30μm。將其用作鋰電池隔離層后，即使在高溫情況下也能保持電池穩(wěn)定?？捎米麟妱榆?、船艦網絡系統(tǒng)、航空航天和潛艇的電源[1]。

2.2 礦物材料在發(fā)展低碳經濟中的應用基礎研究和技術創(chuàng)新

(1)礦物材料專家們重視研究非金屬礦物的性能與晶體化學、微觀結構及成分調整與改造的關系，探索功能創(chuàng)新。例如，許多非金屬礦物(沸石、凹凸棒石、海泡石、蒙脫石、蛭石等)具有特殊的表面化學性能，如催化性、吸附性、離子交換性、抗?jié)B性等，可用以制成催化劑載體、助濾劑、凈化劑、脫色劑。如蒙脫石防水劑用于建筑物、水壩、垃圾填埋場等的抗?jié)B性地基處理。蛭石、蒙脫石對大半徑陽離子有固定功能，可用作放射性陽離子的吸附劑和固定劑，處理放射性污染問題。硅灰石具單鏈結構，其結構與晶體化學特性及誘導性斷鍵、電荷待補償帶可提升材料活性，改進應用功能。如補強功能、優(yōu)良熱穩(wěn)定性、電絕緣性、化學穩(wěn)定性和低吸水率、吸油率；其界面特性用在陶瓷生成中，可保持微排氣通道，從而降低燒成溫度和燒成周期；硅灰石通過單摻雜和共摻雜技術，可生產高效無輻射能量傳遞的發(fā)光材料(如多種發(fā)光玻璃和發(fā)光陶瓷)，是節(jié)能新光源[2]。

(2)有學者提出了功能微集料和生態(tài)功能基元材料的“基因”、“材料芯片”概念，深入研究了材料表面/界面物理規(guī)律以及材料物理化學屬性、環(huán)境材料屬性、生態(tài)材料屬性，實現材料的性能復合、定向改造與功能優(yōu)化[3]。

例如，利用噪音和電磁輻射的波成污染特征，采用相應孔級配的礦物表面和表面導電、表面電離、防輻射作用來吸收屏蔽各種電磁波、防氡、防輻射，消除對聽覺、皮膚、器官的損傷，可開發(fā)多種礦物凈化材料；利用天然多孔材料和纖維材料有強吸附作用、強脫水作用、機械刺入作用以及所吸附的貴金屬離子和短波長光線的殺傷作用等功能的開發(fā)，研制吸附脫塵、吸附殺傷的活性生物材料。

(3)有的團隊研究礦物材料的結構組裝、摻雜與功能設計及新工藝，并用于新材料開發(fā)。例如，利用礦物孔隙結構進行功能粒子組裝。他們組裝有光催化性能的TiO2粒子,提高光催化降解的功效,制成天然礦物型有機污染物降解材料；可復合小孔、中孔、大孔的孔結構，使不同大小的孔徑組裝，擴大光催化劑TiO2的承載面積，提高吸附性能；通過納米微米層次上的結構組裝工程，在天然礦物中制造功能粒子，獲得能撲集有機污染物的功能空間。這類礦物材料沒有二次污染，對節(jié)能和環(huán)境治理有積極貢獻[4]。

(4)在層狀結構礦物及其礦物材料的研究開發(fā)方面。具有層間域和層間可交換離子、分子的結構特征的礦物及其插層改造的技術，不僅已廣泛用于粘土礦物，也可用于云母、蛇紋石、石墨、輝鉬礦等具有層狀結構的其他非金屬礦物和金屬礦物的功能改造。例如，有的團隊研究了蛭石的鈉化、有機插層處理、納米分散原理和技術，研發(fā)了導電型聚合物/蛭石納米復合材料[5]，并進一步研究其高強度、高模量、高韌性、對油類或氣體的高阻隔性等功能的開發(fā)，在交通、電子、環(huán)保等行業(yè)拓展了應用空間。一些研究者已對石墨、輝鉬礦采用聚合插層技術，研發(fā)了相應的聚合物/納米復合材料。此外有的專家還進行了基于一些礦物的層狀結構所導生的光學性能研究：用片狀集合體白云母、絹云母制成1～100nm的二維納米材料，用于建筑外墻涂料，改善涂層的機械性能，提高涂料的耐老化、抗紫外線性能，能防止龜裂。

(5)處理工業(yè)廢棄物的礦物材料開發(fā)。Ca、Mg硅酸鹽可多價螯合CO2，處理工業(yè)排放的CO2。荷蘭能源研究中心的專家已研究了工業(yè)堿性廢棄物(如鋼渣等)和城市固體廢棄物灰渣吸收工業(yè)CO2的工藝和廢棄物衍生產物的應用。這些廢棄物碳酸鹽化后(如生成Ca、Mg碳酸鹽)，pH值由原來的10～12降為8，所生成的新礦物組合，又可用于吸收有害氣體。

(6)其他。在非金屬礦物材料合成和產品生產工藝創(chuàng)新方面也在不斷涌現新進展和新成果。

3 非金屬礦工業(yè)應對低碳經濟挑戰(zhàn)的幾點建議

3.1 非金屬礦工業(yè)特點

從實際出發(fā)，發(fā)揮優(yōu)勢，直面問題，科學決策面對低碳經濟的行業(yè)改革發(fā)展進程。能源工業(yè)和非金屬礦工業(yè)作為資源主導型產業(yè)，有共性的一面(能源是各種工業(yè)的動力源，非金屬礦是各種工業(yè)的物質源)，非金屬礦工業(yè)又有著自身的特殊性和下列現實狀況。

(1)我國非金屬礦工業(yè)已形成了由長鏈產業(yè)群及其相應的科技、人才工程和貿易系統(tǒng)所組成的工業(yè)體系。有了完好的行業(yè)組織和持續(xù)較快發(fā)展的基礎條件，但需要加快由大變強的新思維和更有效政策的引導。

(2)從宏觀層面上看能源、金屬、非金屬三大類資源主導型工業(yè)體系，非金屬礦工業(yè)在總體上是有害氣體、有害元素的低排放產業(yè)；礦山廢石、尾礦渣總體上相對較少，礦山和下游產業(yè)的廢棄物再生資源化潛力大。

(3)非金屬礦產資源品種多，總量大，優(yōu)勢礦種多，市場拓展?jié)摿Υ螅坏簧俨?、選、加工、制品企業(yè)的生產較粗曠，普遍存在粉塵超標等環(huán)境問題、資源浪費問題和重復能耗問題。

(4)絕大多數的非金屬礦資源分布在山區(qū)，受地域經濟、科技環(huán)境制約較大；非金屬礦工業(yè)產業(yè)鏈各段產業(yè)發(fā)展不平衡，生產集中度低，代表行業(yè)整體實力和先進產業(yè)鏈科技水平的大型綜合型企業(yè)數量少。

(5)非金屬礦工業(yè)的中、小企業(yè)多，是弱點；但礦山伴生礦產資源較豐富多樣，非金屬礦工業(yè)企業(yè)具有靈活拓展的空間，又是發(fā)展的潛在優(yōu)勢條件。

3.2 建議

(1)進一步統(tǒng)一全行業(yè)在發(fā)展理念上的認識。

一是提升規(guī)?；瘓F競爭力。要下力氣組建一批能覆蓋資源，礦產制品，礦物材料的綜合礦業(yè)與材料集團公司，形成現代非金屬礦工業(yè)產業(yè)強勢板塊，帶動行業(yè)產業(yè)群全面協(xié)調發(fā)展。

二是強化科技牽動效應。構建以企業(yè)為主體，產、學、研結合的行業(yè)技術創(chuàng)新體系和新產品研發(fā)基地，為全行業(yè)技術進步、產品升值提供開放平臺。

例如，以具有非金屬礦特色優(yōu)勢資源群的大區(qū)為單元，建立以大型企業(yè)為經濟支撐和市場激活園區(qū)，以大學和科研院所相關專家為智源，統(tǒng)籌組建非金屬礦資源開發(fā)利用研究中心和新技術、新產品試驗基地。

三是提倡非金屬礦工業(yè)現代企業(yè)理念與行為準則，培育企業(yè)文化。形成特色質量，嚴格能耗，維護環(huán)境，創(chuàng)新績效的行風。

(2)要遵循非金屬礦工業(yè)自身的經濟運行規(guī)律，著眼長足發(fā)展。

一是遵循非金屬礦行業(yè)性質及其產業(yè)鏈環(huán)互動法則，抓好非金屬礦物原料產業(yè)的現代化和礦物材料產業(yè)創(chuàng)新、延展與市場活力這兩個端部產業(yè)群的龍頭企業(yè)培育，高水平互動發(fā)展。

二是立足資源分布實際，利用多種經濟成分能量，因地制宜發(fā)展中型非金屬礦工業(yè)產業(yè)，扶持與農村城鎮(zhèn)發(fā)展相結合的小型精細制品產業(yè)，開拓“三農”非金屬礦產品和礦物材料消費市場。

規(guī)模較小，布點分散，不等于容忍落后。要嚴格完善各環(huán)節(jié)的系列標準，加強質量管理。

三是加強科學管理，是應對挑戰(zhàn)的關鍵。建議協(xié)會精心組織非金屬工業(yè)企業(yè)家的系統(tǒng)培訓。建立行業(yè)培訓基地，實施分層次、有行業(yè)特色的培訓計劃。

(3)低碳經濟發(fā)展的進程不可能采用單一路徑，需要行業(yè)正確抉擇。

開發(fā)行業(yè)低碳技術，要理性思維，把握原則：一要為人類長久生存、健康發(fā)展負責，積極推進；二是要符合實際，能保證國家、地區(qū)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，堅持自身特色發(fā)展，避免搞簡單摹仿。

作為工業(yè)化中期階段的發(fā)展中國家，總能耗和人均能耗還會有增加。由“高碳”向“低碳”經濟轉變，還受到配套科技水平滯后，高端研發(fā)能力和經濟條件的制約。建議分片區(qū)、分階段組織企業(yè)家為主體的專題調研與討論，科學設計行業(yè)生產的低碳化進程。

國際業(yè)界和發(fā)達國家政府早已十分重視并認識到非金屬礦產的人均消費量在一定程度上是衡量一個國家經濟與生活水平高低的重要指標。我國非金屬礦工業(yè)一定能在應對低碳經濟的挑戰(zhàn)中做到正確定位，積極進取，創(chuàng)造行業(yè)發(fā)展的新亮點。

[1][德]布凌格(王河新等譯).未來世界的100種變化[M].北京:科學出版社,2005:206-209.

[2]萬樸.非金屬礦產業(yè)發(fā)展的幾個重要問題[J].中國非金屬礦工業(yè)導刊,2007,(1).

[3]董發(fā)勤,鄧躍全,等.生態(tài)功能基元材料及其復合建材集成技術[M].電子科技大學出版社,2008.

[4]傳秀云,盧先初,龔平.天然礦物材料的多孔結構、結構組裝和光催化性能[J].地學前緣,2005,12(1):188-193.

[5]孫金梅,彭同江,孫紅娟.有機蛭石的制備及應用研究現狀[J].材料導報,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