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《矿物学环境属性概论》可作为高等院校矿物科学?材料科学?环境科学及生命科学等专业师生教学与科研工作的参考书，亦可供科研院所和环保企业相关领域中研究开发?工程技术与业务管理人员参考使用。
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| 內容簡介： |
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《矿物学环境属性概论》是作者在多年从事环境矿物学研究和教学工作基础上撰写而成。《矿物学环境属性概论》共分3篇。第一篇系统介绍了矿物学环境属性主要内容?无机界矿物天然自净化功能?矿物与微生物协同作用的环境效应以及生物矿化作用的生理生态效应。第二篇重点介绍了硫化物大类中黄铁矿?磁黄铁矿和闪锌矿?氧化物大类中金红石和锰钾矿?含氧盐大类中硅酸盐矿物纤蛇纹石和钾长石?硫酸盐矿物黄钾铁矾等典型矿物环境属性特征，详细阐述了半导体矿物与微生物协同效应，初步探讨了人体心血管和几种肿瘤病灶中病理性矿物特征。第三篇具体介绍了环境污染防治第四类方法——矿物法，包括矿物在处理无机污染物?降解有机污染物?净化烟尘型污染物?评价土壤环境质量?防治垃圾污染物以及处置矿山尾矿砂方面的应用实例。
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| 目錄：
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目录
序
前言
第一篇 矿物学环境属性简述
第1章 矿物学环境属性研究范畴 3
1.1 矿物记录环境变化 3
1.2 矿物影响环境质量 4
1.3 矿物反映环境评价 5
1.4 矿物治理环境污染 6
1.5 矿物参与生物作用 7
第2章 无机界矿物天然自净化功能 9
2.1 矿物表面效应 9
2.2 矿物孔道效应 12
2.3 矿物结构效应 14
2.4 矿物离子交换效应 15
2.5 矿物氧化还原效应 16
2.6 矿物微溶效应 17
2.7 矿物结晶效应 18
2.8 矿物水合效应 18
2.9 矿物热效应 19
2.10 矿物光催化效应 20
2.11 矿物纳米效应 20
2.12 矿物与生物复合效应 21
第3章 矿物与微生物协同作用的环境效应 23
3.1 半导体矿物光电子产生 23
3.2 半导体矿物光电子特性 26
3.3 矿物光电子与生命起源和演化 28
3.4 矿物光电子促进微生物生长代谢 29
3.5 土壤矿物光电子与微生物协同固碳作用 30
第4章 生物矿化作用的生理生态效应 33
4.1 生物矿化作用 33
4.2 生物成因矿物 34
4.3 人体矿物的生理病理效应 37
第二篇 矿物学环境属性特征
第5章 铁的硫化物矿物还原沉淀效应 45
5.1 铁的硫化物矿物一般矿物学特征 45
5.2 黄铁矿和磁黄铁矿氧化还原特性 46
5.3 磁黄铁矿还原效应及其电化学分析 49
5.4 黄铁矿和磁黄铁矿的沉淀转化作用 56
5.5 硫资源的合理利用 59
第6章 闪锌矿光催化还原效应 60
6.1 闪锌矿矿物学特征 61
6.2 闪锌矿半导体特性 65
6.3 天然闪锌矿改性特征 74
6.4 闪锌矿光催化活性影响因素 84
6.5 天然半导体矿物复合光催化剂体系 92
第7章 金红石光催化氧化效应 98
7.1 金红石矿物学特征 98
7.2 金红石半导体特性 105
7.3 天然金红石的改性 115
7.4 热改性影响金红石半导体特性机理 134
第8章 纤蛇纹石管状结构效应 139
8.1 纤蛇纹石晶体结构 139
8.2 纤蛇纹石活性基团 140
8.3 斜纤蛇纹石纳米管内径特征 145
8.4 斜纤蛇纹石管道水特征 149
8.5 纳米纤维状白炭黑制备与表征 152
8.6 纳米纤维状白炭黑催化剂载体 165
8.7 纳米纤维状白炭黑有机化改性 170
第9章 钾长石四面体孔道效应 178
9.1 孔道结构矿物概述 178
9.2 钾长石孔道结构特征 184
9.3 钾长石孔道离子交换效应 193
9.4 钾长石孔道中的水 201
第10章 锰钾矿八面体孔道效应 208
10.1 锰氧化物孔道结构 208
10.2 锰钾矿晶体化学 210
10.3 锰钾矿孔道中的水 219
10.4 锰钾矿孔道效应 228
第11章 锰钾矿纳米效应 234
11.1 锰钾矿隐晶质集合体 234
11.2 锰钾矿一维纳米晶体 240
11.3 锰钾矿集合体中纳米孔特征 245
11.4 锰钾矿纳米效应 248
第12章 黄钾铁矾类矿物结晶效应 255
12.1 黄钾铁矾类矿物基本特征 255
12.2 黄钾铁矾类矿物形成条件 258
12.3 黄钾铁矾类矿物结晶效应应用 263
12.4 黄钾铁矾类矿物结晶隔离防渗作用 268
第13章 半导体矿物与微生物协同效应 273
13.1 矿物与微生物协同作用方式 273
13.2 金红石与氧化亚铁硫杆菌协同作用 274
13.3 闪锌矿与氧化亚铁硫杆菌协同作用 281
13.4 光电子与粪产碱杆菌协同作用 286
13.5 金红石与活性污泥中微生物群落协同作用 289
13.6 红壤中铁氧化物矿物与微生物群落协同作用 293
13.7 半导体矿物介导非光合微生物利用光电子新途径 299
13.8 矿物光电子与地球早期生命起源及演化初探 306
第14章 人体病理性矿物特征 313
14.1 脑膜瘤矿化特征 313
14.2 心血管矿化特征 322
14.3 甲状腺癌矿化特征 338
14.4 卵巢肿瘤砂粒体矿化特征 344
14.5 乳腺疾病矿化特征 351
第三篇 矿物法———环境污染防治第四类方法
第15章 矿物法处理无机污染物 371
15.1 黄铁矿和磁黄铁矿处理含CrⅥ废水 371
15.2 磁黄铁矿处理含HgⅡ和PbⅡ废水 378
15.3 磁铁矿和褐铁矿处理含HgⅡ废水 383
15.4 锰钾矿处理含HgⅡ和CdⅡ废水 391
15.5 白云石处理含B 废水 399
第16章 矿物法降解有机污染物 405
16.1 锰钾矿降解苯胺?酚类和印染废水 405
16.2 金红石可见光催化降解亚甲基蓝和卤代烃 422
16.3 闪锌矿可见光催化降解有机染料和卤代烃 429
第17章 矿物法净化烟尘型污染物 440
17.1 民用燃煤烟尘特征 441
17.2 蛭石热膨胀性固硫作用 444
17.3 固硫产物高温稳定性 453
第18章 矿物法评价土壤环境质量 462
18.1 土壤矿物调控重金属活动状态 462
18.2 土壤矿物吸附金属离子理论模型 468
18.3 土壤矿物临界吸附量 477
18.4 土壤环境容量评价 481
第19章 矿物法防治垃圾污染物 487
19.1 垃圾填埋场与渗滤液水质特征 488
19.2 天然黏土矿物吸附有机污染物 493
19.3 有机化改性膨润土吸附有机污染物 496
19.4 鸟粪石结晶处理氨氮污染物 505
19.5 矿物法组合处理垃圾渗滤液 510
第20章 矿物法处置矿山尾矿砂 515
20.1 尾矿砂矿物学特征 516
20.2 尾矿砂酸溶特性 526
20.3 尾矿砂制备铁镁氢氧化物 534
20.4 微生物促进尾矿砂酸溶作用 538
参考文献 543
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第一篇
矿物学环境属性简述
第1章矿物学环境属性研究范畴
资源与环境是当代地球科学的两大主题。作为地球科学的基础性学科，矿物学发展理应围绕这两大主题。对矿物学环境属性的认识与利用，是对矿物学资源属性认识与利用的进一步发展，环境矿物学也是在人类赖以生存的地球正面临着生态破坏与环境污染问题严重威胁的今天应运而生的。
当前，矿物学环境属性研究范畴，主要包括矿物如何记录环境变化?矿物如何影响环境质量?矿物如何反映环境评价?矿物如何治理环境污染以及矿物如何参与生物作用等方面。环境矿物学是研究天然矿物与地球表面各个圈层之间的交互作用及其反映自然演变?防治生态破坏?评价环境质量?净化环境污染及参与生物作用的科学。其主要内容包括研究矿物作为反映不同时间空间尺度上环境变化的信息载体，研究矿物影响人类健康与破坏生态环境的本质及其防治方法，研究矿物负载污染物的能力及其评价环境质量的机制与方法，研究开发矿物具有治理环境污染与修复环境质量的基本性能，研究晶胞与细胞层次上矿物与生物发生交互作用的微观机制等。
1.1矿物记录环境变化
天然矿物是地球自然演化作用的产物。在矿物所经历的发生?发展?变化和消亡的整个生命周期中，不同时间和空间尺度上的地球环境变化都会在矿物中留下烙印，使得矿物含有丰富的能反映环境变化的信息，成为记录环境演变信息的载体。这些信息具体蕴藏在矿物的外部微形貌?内部微结构?化学组成?化学性质?物理性质?谱学特征和成因产状等方面。随着矿物学研究手段的改进与研究水平的提高，利用矿物揭示环境变化信息的数量与质量正在逐步增多与增强。
在全球变化研究中，第四纪以来形成的冰川和黄土常常是人们的重点研究对象。冰川中重矿物微粒和黄土中原生及次生矿物特征，分别记载着冰川和黄土形成与演化方面的丰富信息Heetal.，1997；Orgeiraetal.，1998；EhrmannandPolozek，1999。深入研究这些信息载体特征，将有助于揭示较大时间和空间尺度上全球性环境变化特征与演化规律。湖泊是相对独立的自然综合体，是岩石圈?大气圈?水圈和生物圈相互作用的连接点。湖泊沉积蕴含着丰富的环境信息。湖泊沉积具有连续的特点，是较好的进行高分辨率环境演化研究的对象。目前对湖泊沉积物开展分析的环境指标除了有机生物如孢粉?硅藻?介形类等之外，还包括无机矿物如沉积矿物?碳酸盐矿物含量?自生碳酸盐矿物氧碳同位素?微量元素含量及其比值?矿物磁性参数等。
对岩溶地区产出的石钟乳和石笋组成矿物特征进行详细研究Davitayaetal.，1998；GentyandDeflandre，1998，就像研究树木的年轮一样，能够精确揭示更小时间尺度上的古气候与古环境方面的演化规律。基于对今后几十年到一百年全球气候-环境变化了解的需要，亟需获得对10~100年尺度的气候-环境变化规律以及极端气候事件出现的频率和机制的认识。显然，获取连续的有精确年代控制的高分辨率年到季自然记录是一个关键。其具有年?季旋回界面因而能够自我记年，同时能对气候或环境变化信息按年记录的自然材料被称为自然时钟。洞穴石笋是继生物时钟树轮和珊瑚与地质时钟纹泥和冰芯之后较晚发现的一种地质自然时钟。冰芯记录虽然较长，但仅分布于两极和高寒地区。珊瑚礁可计数的年层序列一般仅能达到数百年，其分布也局限于热带海洋。树轮的适用范围限于温带半干旱地区。寻找纯自然条件下超过1000年的树轮样品比较困难。玛珥湖纹泥跨时较长，而且可分辨到季，但其分布仅限于火山湖地区。相比之下，洞穴石笋在我国从北到南都有一定分布，其时间跨度从现代到数千年?数万年前，是一种不可多得的能高分辨记录短尺度气候-环境变化的地质时钟。
石钟乳和石笋主要由碳酸盐矿物方解石和文石组成。国内外大量研究成果表明，微米至毫米厚的石笋微生长层的韵律变化，可反映短尺度高频率的气候振动。石笋发光强度变化是古环境变化的重要记录，从滴水中带来的地表土壤有机物质是导致微层发光的主要原因。在1960年Broecker等利用14C方法确定在温带气候区一些快速生长石笋纹层为年轮之后，1993年Baker等采用热电离质谱-铀系定年方法，证实英国一个石笋的发光微生长层为年生长层。此后世界上陆续报道了几种石笋年生长层:发光与不发光的方解石组合构成年层，该类年层一般在温带气候条件下形成；白色疏松沉积与暗色紧密沉积的碳酸钙互层构成年层，主要形成于降雨和温度季节性变化明显的地区；方解石与文石互层构成的年层，主要形成于白云质岩层区。我国迄今所发现的具有微层特征的石笋矿物主要为方解石放射状纤维晶，方解石晶束垂直于微层层面生长，微层类型主要为外源暗色物质界面，暗色物质或有机质来自洞顶上覆土壤。
1.2矿物影响环境质量
通常意义上岩石组成矿物的风化作用，可直接导致矿物的破坏与分解，常常表现为部分活动组分的流失，尤其是在地表条件下不稳定的矿物易于发生化学风化作用与生物风化作用。正是从这些风化作用产物中流失出来的有毒有害阳离子和阴离子物质对环境质量影响较大，影响当地的土壤和水体环境质量，往往造成地方性人体健康和生态环境问题。开展矿物影响人类健康与破坏生态环境的本质及其防治方法研究，成为矿物的又一大环境属性研究内容。
一般地，自发地形成于自然界的矿物原本能够稳定地存在于自然界之中，也就是说，天然矿物与生态环境具有良好的相容性，这也是矿物形成的必要条件之一。可是人们为了最大限度地发挥矿物的资源属性，采取了很多办法去寻找各种矿物资源。人类的矿业活动对这些矿物资源进行着高强度开采，结果使得处于地表之下的矿物被动地移至地表，带来矿物的焓增加及矿物所处介质的温压降低与氧化增强，造成这些矿物的稳定性大大降低。这势必导致矿物的破坏与分解，所产生的重金属和阴离子物质对地表水体与土壤环境质量造成了直接影响。一些金属矿物，尤其是含变价元素的金属矿物表现得更加突出。目前对生态环境破坏较为严重的矿山酸性废水污染便是这方面的典型例子。矿山酸性废水主要来自金属硫化物的破坏与分解过程。如何在地表条件下有效防治金属硫化物矿物的氧化分解是人们正在探讨的环境保护问题Gray，1997。人类矿业活动还使得一些具有放射性的天然矿物被直接带到了地表。对其不合理的利用已给人类健康甚至生存带来了极其严重的负面影响。对其合理利用而产生的核废料的安全处置，仍然要发挥矿物化学屏障的环境属性作用Pushkareva，1998。核废料是一类危害性极大的较特殊的污染物，随着对核能源的大量开发利用，开展核废料的安全处置研究日益成为一项紧迫的工作。对核废料实行储存与填埋处置是目前较为流行的一种办法，其中如何有效防治核废料的泄漏便成为关键技术问题。
还有一类由矿物引起的对人类健康的危害来自于对矿物资源的加工和利用过程，如矿物粉尘的产生及其对人体健康的影响问题Rossetal.，1993。石棉状角闪石是石棉矿山和加工厂工人肺病的主要致病因素，在矿工的肺组织中可以发现这些纤维状矿物Nayebetal.，1998。至于在煤炭能源利用过程中，矿物受热分解释放出大量SO2和CO2所造成的对人体健康和大气环境质量的影响乃至酸雨形成的问题更是广泛存在。
岩石圈中矿物受到大气圈影响，主要体现在大气中或少量溶解于水体中的O2和CO2直接参与下发生的化学变化，如氧化作用和碳酸化作用。氧化作用极为普遍，对含变价元素矿物影响较大，如黄铁矿发生褐铁矿化?菱锰矿发生硬锰矿化与锰钾矿化。矿物发生碳酸化作用主要是由于大气中CO2溶于水体后形成HCO-3，造成介质酸性程度增高，使得微溶性矿物发生溶解，过去对此作用的研究重视不够。深入研究这些矿物在大气圈中的风化作用对文物保护具有重要指导意义，如彩色绘画文物中，利用硫化物矿物颜料的文物要有效防治氧化作用；对于石质雕塑文物，要有效防治大气碳酸化作用对方解石的酸溶。总之，由于人类生活和生产活动所带来的矿物破坏与分解，给人类健康和生存环境造成了不利影响。详细研究并充分发挥矿物的环境属性作用，揭示矿物破坏与分解的本质，利用矿物抗分解的一面，积极采取相应措施防止矿物的破坏与分解，就有可能减少甚至避免由于矿物的破坏与分解所造成的对人体健康的影响和生态环境的破坏。
1.3矿物反映环境评价
自然环境质量评价主要指对大气?水体和土壤等自然景观环境状况进行评价。土壤?大气和水体中存在一定量的无机矿物质，往往以单质或化合物形式出现。这些矿物质与自然环境中的污染物，特别是无机污染物之间存在着较为密切的联系。矿物对污染物的负载能力在一定程度上能够影响污染物的赋存状态?变化过程?迁移能力与危害程度等，直接影响对自然环境质量与生态效应的评估评价结果。开展矿物负载污染物的能力及其评价环境质量的机制与方法研究，大气中矿物浮尘?水体中沉积物与土壤中组成矿物等往往是直接研究对象。
有效调查评价一个地区的自然环境状况，直接检测该地区大气?水体?土壤中污染物含量是一项必不可少的工作，但要深入分析污染物的产生机理?有害程度与防治措施，提高环境质量评价水平，往往离不开对这些介质中无机矿物的调查评价。在评价土壤环境容量时，更需要详细查明黏土矿物与铁锰铝氧化物和氢氧化物矿物等土壤矿物组成特征。土壤环境容量，即对污染物的自净能力，离不开土壤中矿物对重金属的吸附与解吸作用?固定与释放作用。土壤中具体矿物的净化能力才真正体现土壤自身的净化能力与容纳能力。事实上，土壤中有毒有害元素含量的高低，并不是直接判定土壤环境质量优劣乃至土壤生态效应的唯一标志，关键问题是要揭示这些污染物在土壤矿物中具有怎样的赋存状态以及与各种无机矿物之间具有怎样的吸附与解吸?固定与释放的平衡关系，以利于在土壤组成矿物的层次上查明土壤中污染物与具体矿物之间的环境平衡关系，最终能提出建立和保护土壤中污染物与矿物之间的环境平衡机制，提高土壤本身治污能力，防止对食物链产生污染。极端的情况是:土壤中一种重金属元素，如Hg，含量高并不一定有害，只要以HgS形式，即辰砂矿物存在，就不会被作物吸收而影响食物链。相反，一种重金属元素，如Cd，含量低却并不一定无害，只要以离子形式存在，就有可能被作物吸收而影响到食物链鲁安怀，1999，2005b。将矿物影响环境质量评价理论引入土壤重金属污染评价领域，可为土壤重金属污染防治提供矿物学新方法。
评价大气环境质量，包括有效评价烟尘污染状况，有必要查明大气中矿物颗粒物浮尘性质?分布规律与形成机制。一般地，大气中矿物质颗粒物成因上分为原生和次生两类。这两类颗粒物从矿物学特征方面易于甄别。原生颗粒物又可以划分本地烟尘和扬尘物质以及异地烟尘和风尘物质。烟尘颗粒物主要由燃煤产生，包括未充分燃烧的炭粒和充分燃烧的硫酸盐等。风尘和扬尘一般以天然矿物质居多。大气中次生颗粒物往往是烟尘?扬尘与风尘。在大气环境中新形成的无机固体物质，实质上也是自然作用形成的矿物。深入系统开展大气中原生与次生矿物质颗粒物形貌特征?粒径大小?化学成分?晶体结构?物化性质和形成机制以及与有机物质，包括污染物质复合关系等方面研究，无疑可为评价大气环境质量，特别是评价日趋严峻的雾霾污染物危害性提供科学依据与技术支撑。
当前的各类环境质量评价方法中，多数以污染物含量检测作为重要基础，并以此划分出定量化评价标准。利用矿物学方法评价环境质量问题尚未得到足够重视。
矿物学方法评价土壤环境质量，将在第18章详细阐述。
1.4矿物治理环境污染
认识与利用天然矿物所具有的治理环境污染与修复环境质量的环境属性，开发环境矿物材料的基本性能，主要包括矿物表面效应?矿物孔道效应?矿物结构效应?矿物离子交换效应?矿物氧化还原效应?矿物微溶效应?矿物结晶效应?矿物水合效应?矿物热效应?矿物半导体效应?矿物纳米效应以及矿物与生物复合效应等。
发掘与有机界生物方法相当的无机界矿物有效防治环境污染的天然自净化功能，提出类似于有机界生物处理方法，利用无机界天然矿物治理污染物的方法，是建立在充分利用自然规律的基础之上，体现了天然自净化作用的特色，完善了由无机矿物和有机生物所共同构筑的自然界中存在的天然自净化作用系统和原理。所提出的继物理法和化学法尤其生物法之后的第四
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