黄俊楠, 孟迪, 尹萍, 赵伟渲, 胡文吉豪. 矿物高值化利用现状及其固态废料回收利用展望[J]. 中国有色金属学报, 2024, 34 (05): 1667-1689.

  随着人类社会工业化进程的加快速度进行发展，固体废弃物的产量不断攀升，对环境的保护和治理造成了巨大的压力。传统的处理方法已经难以实现废弃物的高效处理，不仅仅具备废弃物二次污染的风险，同时也会造成其中大量可回收利用资源的浪费。伴随着重要资源的日益短缺，从固体废弃物中回收有价值资源并实现高值化利用，慢慢的变成了社会可持续发展的关键的重要选择。

  本文从矿物类固体废弃物原料出发，以煤矸石、粉煤灰、炉渣、废锂离子电池和硫酸矿渣等固态废料为来源，结合其固态废料中含有的矿物成分以及矿物本质特点，重点介绍了其中的黏土矿类、硫化矿类、氧化矿类以及我国战略性矿产资源石墨和萤石等典型矿物的物理化学特性，同时分析总结了这些矿物材料在生物医药、光催化和膜材料等新兴领域所具有的应用研究进展，为固态废料处理和高值化利用提供了新的研究思路。

  综合论述了矿物类固体废弃物中的黏土矿类、硫化矿类、氧化矿类、石墨、萤石等典型矿物的物理化学特性，并结合其在生物医药、光催化、膜材料等新兴领域的应用，为固体废物回收处理和高值化利用提供新的研究思路。

  黏土矿物往往在煤矸石等固体废弃物中大量存在，其中高岭石和蒙脱石是两种最为典型的黏土矿物。图1和图2分别展示了高岭石和蒙脱石的结构以及在一些新兴领域的应用研究。

  从图1中可以看到，高岭石结构表面具有丰富的羟基，这使得其具有高生物相容性、低副作用和高药物生物利用度等优势，并且可以作为反应活化中心参与许多化学反应，具有良好的可塑性、耐酸碱性和易分散性等特性。目前已有相关研究探索了高岭石在癌症治疗药物负载、光催化剂复合材料载体以及吸附材料等方面的应用潜能，并取得了较好的研究进展。

  图1 （a）高岭石结构的分子模型图；（b）高岭石的扫描电子显微镜图；（c）高岭石在生物医药方面的应用；（d）高岭石在光催化材料方面的应用

  图2展示了蒙脱石的微观结构以及其在光催化材料、二维膜材料等领域的相关研究。蒙脱石作为一种价格低廉、吸附性能优异的黏土矿物，已被广泛研究、应用于去除重金属离子、染料、有机物等，医疗上也被应用于药物负载缓释等。由蒙脱石剥离制备的纳米材料具有高透水性和优异的防污性能，使得其在制备二维膜材料方面也具备巨大的潜力，亚纳米级通道高度的精确调控也为离子、有机物、气体等的选择性分离创造了有利条件。

  图2 （a）蒙脱石的结构图；（b）可见光下Fe2O3-Fe3O4-M-GP纳米复合材料界面光催化活性机理示意图；（c）蒙脱石膜的制备和应用示意图

  硫化矿是我国重要的有色金属矿产资源，对国民经济的发展起着重要作用。本文重点介绍了黄铁矿（FeS2）、辉钼矿（MoS2）两种硫化矿物的相关研究及应用。

  黄铁矿被广泛用于硫酸、二氧化硫、肥料和硫酸亚铁等传统工艺的制备过程中，其表面具有丰富的活性官能团，可用于汞、铬、砷等重金属离子吸附剂的制备。图3展示了黄铁矿在Cr（Ⅵ）去除方面的相关研究。由于具有合适的带隙、极高的可见光吸收系数、无毒和造成本等优点，黄铁矿在太阳能电池、可充电电池、光电探测器、光电容器和光催化等方面也表现出良好的应用前景。

  图3（a）黄铁矿强化钢渣用于去除Cr（Ⅵ）示意图；（b）天然黄铁矿（NP）、钢渣（SS）和NP-SS对Cr（Ⅵ）的去除性能；（c）天然黄铁矿强化钢渣去除Cr(ⅵ)的机理

  辉钼矿作为一种生产成本低、产量高的硫化矿物，其所具备的层状结构和高稳定性能可以为离子提供有序的扩散传输通道，这使得其在电极材料的制备以及强化方面得到了广泛的关注。二硫化钼还具有比表面积大和反应活性高等特点，在催化剂方面有着一定的应用前景。图4展示了二硫化钼材料在电池储锂、S空位缺陷合成制备以及有机物降解去除等领域的研究。

  图4 （a）天然辉钼矿的层状结构储锂模型；（b）从天然辉钼矿合成缺陷二硫化钼的示意图；（c）辉钼矿/PMS体系的降解机理

  氧化矿是指金属矿床被氧化后所形成的，是大多数固态废料中最常见的矿物组成，其中具有代表性的例子为赤铁矿（Fe2O3）和石英（SiO2）。

  赤铁矿具有成本低、资源丰富、环境友好、理论电容率高等优点，已成为超级电容器的替代电极材料。优异的生物相容性和低毒性也促使赤铁矿成为磁共振成像等医药检测手段的重要工具之一。天然的纳米赤铁矿颗粒具有较大的比表面积，在光催化领域具有明显的应用优势。图5展示了纳米氧化铁的合成工艺以及在医疗检测与治疗等领域的应用。

  图5 （a）碳布上纳米氧化铁的合成工艺；（b）A）在不同总金属元素浓度（×10−3M）下，Gd掺杂的α-Fe2O3产物的T1加权MRI对比增强效应；B）掺杂和C）未掺杂的α-Fe2O3产物的体内对比效应；白色箭头表示注射了α-Fe2O3分散体的肿瘤，而灰色箭头表示空白实验；（c）铜掺杂赤铁矿纳米粒子抗菌活性示意图

  石英作为地壳中含量最高的天然矿物之一，其独特的介孔结构、大的比表面积、丰富的表面化学成分和可调节的骨架等特性，促使其被广泛应用于药物负载、磁热疗等治疗或诊断应用中。由石英制备的无机纤维具有高抗拉强度和优异的耐热性，也被广泛研究应用于传感器、电加热器等领域。图6展示了石英在传感材料和肿瘤细胞治疗等领域的应用。

  图6 （a）强制流动化学气相沉积法制备石墨烯-石英纤维实验设计示意图，石英纤维盘绕在内管表面，然后封装在外管中；（b）磁性介孔二氧化硅纳米颗粒介导的体内肿瘤治疗流程图：在肿瘤内注射后，纳米载体扩散到癌组织中，并且当应用交变磁场时，释放它们的药物货物，引起肿瘤细胞死亡；（c）超小型多孔二氧化硅纳米颗粒合成方法的示意图

  除了上述的几大类矿物外，部分战略性矿产资源诸如石墨、萤石等也在固体废弃物中广泛存在，对这些可回收资源进行分离、回收以及高值化利用，将大大减轻我国矿产资源开采压力，降低环境污染问题。

  石墨作为一种天然矿物材料，具有优异的耐高温、导电性、柔韧性、高表面积和光热性能等，目前已广泛应用于电极材料、吸附材料和载体材料等的制备，在能源利用、环境保护和医疗健康等领域发挥着不可或缺的及其重要的作用。目前对于石墨研究较为热门的二维膜材料以及石墨烯量子点等，在资源选择性分离与纯化、病变组织靶向治疗等方面展现出巨大的应用潜力。图7展示了石墨在电池材料和药物输送中的应用。

  图7 （a）石墨烯和氧化石墨烯在超级电容器、电催化和电池等方面的应用；（b）GO薄膜印刷沉积法示意图；（c）石墨烯量子点药物递送流程图

  萤石被应用于我国新能源、冶金、电子、国防、化工、光学等多个领域，是一种重要的含钙、含氟战略资源。目前关于萤石的较为广泛的研究及应用主要集中于钢铁助熔材料、铀浓缩提纯、火箭燃料以及光导纤维等战略性新兴产业中。萤石在强化建筑材料、医疗诊断与治疗以及改善高温储能材料等方面也具有一定的研究、应用前景。图8展示了萤石在复合膜制备中的应用以及CaF2纳米颗粒的性能分析。

  图8 （a）CaF2纳米颗粒和PI复合膜的制备工艺；（b）CaF2纳米颗粒性能分析图。

  本文从黏土类矿物、硫化矿、氧化矿以及其他类别等矿物分类入手，着重分析了黏土矿物中的高岭石和蒙脱石、硫化矿中的黄铁矿和辉钼矿、氧化矿中的赤铁矿和石英以及其他类别的石墨和萤石等。针对这些矿物的性质和优势，分别介绍了其在医疗健康、光催化和吸附剂等领域的应用。同时这些矿物在煤矸石、粉煤灰、炉渣、废锂离子电池、硫酸矿渣和尾矿等固体废弃物中大量存在，通过总结与分析矿物自身的特点以及应用潜能，有望作为一种普遍且广泛适用的研究途径，实现固体废弃物的资源化和高值化回收应用。固态废料的资源循环利用，其本质是一种生态文明经济，在解决固体废物对环境所造成污染问题的同时，能够不断创造固体废物新的经济价值，实现社会生产力和科技进步的可持续发展。

  胡文吉豪，男，湖南长沙，博士，现为中南大学教授，博士生导师，入选国家“海外高层次人才引进计划”青年项目，长沙市青年岗位能手，全国高校黄大年式教师团队骨干成员，中国有色金属学会矿业过程界面化学专业委员会副秘书长，中国硅酸盐学会常务理事，中国化工学会专业会员，民革中南大学校本部第一支部主任委员，战略性含钙矿产资源清洁高效利用湖南省重点实验室副主任、湖南省矿物材料及其应用湖南省重点实验室核心骨干，资源加工与生物工程学院无机系副主任。获得2022年度绿色矿山青年科技奖，中国有色金属工业科学技术一等奖2项，民革湖南省委参政议政调研成果一等奖，指导学生获得“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛金奖，先后主持国家重点研发课题1项、国家自然科学基金 2 项、民革湖南省委会直通车课题1项（省委、省政府主要领导亲笔批示和高度肯定）、中南大学创新驱动项目1项及参与加拿大自然科学与工程研究理事会项目（NSERC）4项。湖南省大中专学生志愿者暑期文化科技卫生“三下乡”社会实践活动优秀指导老师。在国际权威学术期刊上发表SCI论文50余篇，担任多家杂志审稿编辑、合作和学术编辑，担任20多个杂志青年编委以及多个国际高水平杂志长期审稿人。获得国家发明专利40余项，授权15余项中国发明专利。

  黄俊楠，硕士研究生，研究方向为矿物基二维层状高岭石/蒙脱石膜的高水通量高离子截留率定向修饰设计，参与了国家自然基金项目、湖南省重点研发项目等，并在中国有色金属学报等期刊中发表论文2篇，申请发明专利7项。同时担任国家重金属污染防治工程技术研究中心的石英晶体微天平仪器助理和研究生自治会实验管理部副部长。曾获得全国冶金科技竞赛三等奖，连续三年获得中南大学“校二等奖学金”，连续四年华东交通大学获得“三好学生”、“校一等奖学金”，并荣获华东交通大学“优秀毕业生”、“最佳后勤”、“优秀干事等称号”。

  酒店预定已上线（第十五届）中国有色金属学会青年科技论坛 征文即将截止 2024中国锂电新能源材料科技大会 会议通知 第七届国际湿法冶金会议（第一轮） 欢迎参加中国有色金属学会2024年主要学术会议！ 会议通知 2024（第四届）国际有色金属新材料大会 会议时间地点确定 2024（第十五届）中国有色金属学会青年科技论坛

  关于开展中国科协“青年人才托举工程（2024-2026年）”项目申报工作的通知 欢迎申报中国有色金属学会2024年各项推荐计划！ 推荐计划 关于召开2024年度中国有色金属学会硕博论文卓越计划的通知 推荐计划 第四届NFSOC高等教育教学成果计划推荐工作 关于推荐2023年度“中国有色金属十大进展”的通知 中国有色金属学会关于发展单位会员和个人会员的通知 中国有色金属学会关于征集智库成果的通知