非金屬礦產(chǎn)與非金屬礦物材料在雙碳戰(zhàn)略中的作用

彭同江,孫紅娟,丁文金,羅利明,劉波

1. 西南科技大學(xué) 分析測(cè)試中心，四川 綿陽(yáng) 621010；2. 西南科技大學(xué) 礦物材料及應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng) 621010；3. 西南科技大學(xué)固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；4. 西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010

1 引言

2020年國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論時(shí)發(fā)表重要講話(huà)，指出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1]。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)向世界作出的莊嚴(yán)承諾，是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。隨后，在黨的十九屆五中全會(huì)、中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議、全國(guó)兩會(huì)以及中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議等一系列重要會(huì)議上黨中央對(duì)碳達(dá)峰碳中和工作作出部署，要求抓緊制訂2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，支持有條件的地方率先達(dá)峰；加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)煤炭消費(fèi)盡早達(dá)峰，大力發(fā)展新能源等。碳達(dá)峰碳中和是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展重大戰(zhàn)略決策之一。

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的途徑包括減少碳排放和清除碳存量?jī)蓚€(gè)重要方面。減少碳排放的措施很多，主要包括減少能源(煤、油、氣或煤電)消耗，開(kāi)發(fā)綠色能源，及在生產(chǎn)過(guò)程中不使用高能耗或高CO2排放的材料，等等；而清除碳存量主要包括地質(zhì)儲(chǔ)存、植物吸收、人工合成含CO2材料等。

非金屬礦產(chǎn)是礦產(chǎn)資源的重要類(lèi)型之一。除“元素類(lèi)非金屬礦產(chǎn)”(曾稱(chēng)化工非金屬礦產(chǎn))外，“礦物類(lèi)非金屬礦產(chǎn)”“寶玉石類(lèi)非金屬礦產(chǎn)”“巖石類(lèi)非金屬礦產(chǎn)”和“黏土類(lèi)非金屬礦產(chǎn)”4類(lèi)都可直接作為礦物原料或礦物材料加以利用，并且它們是由地球的自然(地質(zhì))作用合成或“加工”的。非金屬礦產(chǎn)是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。非金屬礦物材料是指從利用礦物和巖石本身的物理化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，對(duì)非金屬礦產(chǎn)經(jīng)適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，而形成的在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用和直接作為或制造物品所使用的一類(lèi)材料。顯然，加工非金屬礦物材料的原料主要來(lái)源于地球上大量存在的非金屬礦產(chǎn)。

本文基于非金屬礦產(chǎn)(物)的理化屬性及非金屬礦物材料的加工和使役過(guò)程對(duì)于節(jié)能降碳作用的功能屬性，探討非金屬礦產(chǎn)(物)的自然產(chǎn)出屬性、助熔屬性及非金屬礦產(chǎn)(物)和礦物材料的保溫絕熱屬性、膠凝屬性、催化與載體屬性、應(yīng)用代替屬性及新型礦物料材研發(fā)對(duì)于非金屬礦產(chǎn)(物)開(kāi)發(fā)利用和非金屬礦物材料生產(chǎn)與應(yīng)用對(duì)于助力“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施的作用，并提出推進(jìn)節(jié)能降碳非金屬礦(物)與非金屬礦物材料開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)推進(jìn)非金屬礦產(chǎn)與非金屬礦物材料行業(yè)在雙碳戰(zhàn)略中發(fā)揮更大的作用具有一定的意義。

2 非金屬礦產(chǎn)(物)及礦物材料的屬性與節(jié)能降碳

2.1 非金屬礦產(chǎn)(物)的自然產(chǎn)出屬性與節(jié)能降碳

在自然界已知的4 000多種礦物和700種巖石中，已被用作非金屬礦產(chǎn)開(kāi)采的非金屬礦物約100余種、巖石數(shù)十種[2-3]。我國(guó)《礦產(chǎn)資源法實(shí)施細(xì)則》(國(guó)務(wù)院令第152號(hào))附件《礦產(chǎn)資源分類(lèi)細(xì)則》中列出非金屬礦產(chǎn)92種，2000年原國(guó)土資源部發(fā)布第8號(hào)公告，將輝長(zhǎng)巖、輝石巖、正長(zhǎng)巖列為新發(fā)現(xiàn)礦種，使非金屬礦產(chǎn)種屬達(dá)到95種。

在石器時(shí)代古人就直接利用天然礦物或巖石作為工具、器具和裝飾品等；在人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展早期所使用的各種材料都來(lái)自于礦物巖石和動(dòng)植物；在近代工業(yè)化發(fā)展過(guò)程中，礦物巖石在冶金、機(jī)械鑄造與加工、建筑建材和道路交通等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用；在現(xiàn)代工業(yè)、社會(huì)和科技發(fā)展過(guò)程中，電子信息、新能源、高速交通和航空航天等諸多尖端工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的發(fā)展，都離不開(kāi)非金屬礦產(chǎn)(物)和礦物材料[4]。

非金屬礦產(chǎn)在地表淺處分布廣，資源豐富，相對(duì)于金屬礦產(chǎn)等可綜合利用與循環(huán)利用率較高；相對(duì)于其他人工合成材料，加工生產(chǎn)能耗低、環(huán)境負(fù)荷小，符合低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，對(duì)于人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義；在使用過(guò)程中一般不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害，而且可廣泛應(yīng)用于節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[5-6]；在退役后常?？稍偕蜓h(huán)利用，并不對(duì)環(huán)境造成危害。已被發(fā)現(xiàn)的諸多非金屬礦物中，盡管每種礦物都具有特殊的理化性能，但已被利用的礦物種類(lèi)僅占少數(shù)，其中應(yīng)用較多的只有30～40種。仍有很多礦物的新性能與新功能尚未被認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)。隨著科技發(fā)展的需要和礦物加工技術(shù)的發(fā)展，非金屬礦產(chǎn)的深度開(kāi)發(fā)和非金屬礦物材料將會(huì)在無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域中占有更加突出的地位，所具有的節(jié)能降碳功能將被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用，前景十分廣闊。

很多非金屬礦產(chǎn)(物)的利用具有顯著的節(jié)能降碳作用。如溫石棉，具有機(jī)械強(qiáng)度高、保溫隔熱、隔音吸聲、防火阻燃等優(yōu)異性能，是現(xiàn)代高溫熔融(能耗大)條件下生產(chǎn)的纖維材料包括礦棉、玻璃纖維等無(wú)機(jī)纖維難以比擬的[7]；又如大理巖、花崗巖等經(jīng)開(kāi)采后生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)材料和飾面材料，相對(duì)于混凝土砌塊和陶瓷磚等具有更高耐久性，在生產(chǎn)中更節(jié)能降耗與減少碳排放[8]；天然產(chǎn)出的沸石、硅藻土、膨潤(rùn)土、蛭石[9-11]、海泡石、坡縷石等具有良好的吸附性能，適當(dāng)加工后可與離子交換樹(shù)脂、活性炭等人工合成的吸附材料相媲美，但加工與使用過(guò)程中具有更節(jié)能和更低碳排放的優(yōu)勢(shì)[12]；許多非金屬礦產(chǎn)(物)開(kāi)采后經(jīng)初步加工或無(wú)需加工即可作為不同材料使用，如砂石骨料、蛇紋巖和石灰?guī)r助熔劑及石灰?guī)r用作酸性廢水處理劑等等[13]；有些非金屬礦產(chǎn)如石灰?guī)r、白云巖等在形成過(guò)程中即可吸收并固定地殼或大氣的CO2，而蛇紋巖形成后可不斷吸收大氣中的CO2并轉(zhuǎn)化為含鎂碳酸鹽[14]；等等。

借用非金屬礦產(chǎn)(物)的自然產(chǎn)出過(guò)程中具有的儲(chǔ)碳、固碳屬性，在礦物材料制備與生產(chǎn)過(guò)程中也可將排放的CO2固定于礦物晶格中，實(shí)現(xiàn)降碳、儲(chǔ)碳和固碳的目的。如采用蛇紋巖分離提取氧化鎂制備堿式碳酸鎂、采用工業(yè)副產(chǎn)石膏制備輕質(zhì)碳酸鈣并副產(chǎn)硫酸銨等，即可大量消耗CO2并使之進(jìn)入礦物晶格中形成用途廣泛的碳酸鹽礦物粉體材料。

因此，非金屬礦產(chǎn)(物)的“自然產(chǎn)出”這一屬性即決定了它具有顯著的節(jié)能降碳作用。

2.2 非金屬礦產(chǎn)(物)及礦物材料的保溫絕熱屬性與節(jié)能降碳

在工業(yè)設(shè)施和民用建筑中都涉及保溫絕熱材料。許多非金屬礦產(chǎn)(物)本身或加工后具有優(yōu)異的保溫絕熱性能，可用作保溫材料[15]。如浮巖(石)、多孔玄武巖、硅藻巖等，為質(zhì)輕的多孔狀或蜂窩狀巖石，可直接用作建筑墻體保溫材料等；又如纖蛇紋石石棉、海泡石纖維和坡縷石纖維等纖維狀礦物，可直接用作工業(yè)設(shè)施和建筑墻體的保溫絕熱材料；而工業(yè)蛭石[16]、珍珠巖、頁(yè)巖等經(jīng)高溫膨脹處理后可制備膨脹蛭石[17-19]、膨脹珍珠巖、膨脹頁(yè)巖等，并進(jìn)一步加工為保溫板、管、砌塊等保溫絕熱制品；具保溫絕熱屬性的非金屬礦產(chǎn)(物)或礦物材料是一類(lèi)重要的無(wú)機(jī)保溫絕熱材料[20]，可廣泛用作工業(yè)設(shè)施與民用建筑的保溫絕熱，達(dá)到節(jié)能降耗進(jìn)而降碳的目的。

利用纖蛇紋石石棉、海泡石纖維、坡縷石纖維等可制成絨、紗、線(xiàn)、布、板、棉氈、管等并進(jìn)一步加工為纖維保溫材料制品或型材[21]；將多孔礦物材料如浮石、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、硅藻土及石膏等加工成多孔保溫材料或型材[17]；通過(guò)發(fā)泡處理可制備泡沫石棉、發(fā)泡石膏、發(fā)泡膨脹珍珠巖及發(fā)泡膨脹蛭石等多孔發(fā)泡材料制品；通過(guò)復(fù)合處理可制備石棉硅藻土復(fù)合涂料、海泡石基復(fù)合硅酸鹽保溫材料、膨脹珍珠巖石棉保溫膠泥或涂料等復(fù)合保溫材料[22]或制品等。

保溫材料具有導(dǎo)熱率低(導(dǎo)熱系數(shù)小于0.116 3 W·m-1·K-1)、容重小、常疏松多孔及吸濕性差等共性[23]。非金屬礦產(chǎn)(物)與礦物材料的熱傳導(dǎo)機(jī)制與金屬材料不同。金屬材料主要靠電子運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，而非金屬礦產(chǎn)(物)與礦物材料通常為電介質(zhì)，其熱能的傳輸主要靠晶格振動(dòng)。用作保溫材料的非金屬礦產(chǎn)(物)與礦物材料及制品，通常具有熱導(dǎo)率低與多孔特征，因而常具有輕質(zhì)、隔音吸音和阻燃防火功能等。

如膨脹蛭石(導(dǎo)熱系數(shù)≤0.062～0.095 W·m-1·K-1)[17]、膨脹珍珠巖[22](導(dǎo)熱系數(shù)≤0.047～0.072 W·m-1·K-1)等所具有的細(xì)小隔層空間或空洞使其導(dǎo)熱系數(shù)和松散密度均大大減小，并具有良好的保溫、隔熱、絕緣、阻燃等性能，同時(shí)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并具有抗菌和耐候性能等。因此，膨脹蛭石和膨脹珍珠巖制品可廣泛用作工業(yè)和民用保溫絕熱材料等，并滿(mǎn)足工業(yè)工程保溫節(jié)能中耐較高溫度使用場(chǎng)景的要求，以及幾乎所有民用建筑供暖設(shè)施的保溫和耐久性要求等[24]。而絕大多數(shù)有機(jī)保溫材料在價(jià)格、防火與耐久性等方面仍存在較大的局限性，難以滿(mǎn)足相關(guān)要求。

非金屬礦物保溫材料與制品的生產(chǎn)溫度多為常溫，即使蛭石或珍珠巖膨脹加工的溫度也低于或遠(yuǎn)低于1 200 ℃[17]。而常用的其他無(wú)機(jī)非金屬纖維材料，如礦棉、玻璃纖維、泡沫玻璃等，生產(chǎn)溫度高達(dá)1 200～1 450 ℃[25]。

因此，非金屬礦產(chǎn)(物)及礦物材料的保溫絕熱屬性與其他無(wú)機(jī)非金屬保溫材料相比，不僅在生產(chǎn)加工過(guò)程中具有突出的節(jié)能降耗作用，而且其保溫制品在工業(yè)和民用建筑中的廣泛使用可大大減少工業(yè)和民用設(shè)施的能量耗散，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能和降碳的目的，對(duì)于助力碳減排和碳達(dá)峰具有重要的意義。

2.3 非金屬礦產(chǎn)(物)的助熔屬性與節(jié)能降碳

在工業(yè)熱加工過(guò)程中助熔劑可降低物質(zhì)的軟化、熔化或液化溫度點(diǎn)，具有加快反應(yīng)過(guò)程并提高產(chǎn)出效率等作用[26]，達(dá)到節(jié)能降耗。包括以氧化鈣、氧化鎂為主要組分的堿性助熔劑，如玻璃陶瓷等用石灰?guī)r，冶金用白云巖、蛇紋巖[27]等；以二氧化硅為主要組分的酸性助熔劑，如冶金用石英巖、玻璃和陶瓷用長(zhǎng)石、霞石等[28]；以鹵化物、氧化鋁為主要組分的中性助熔劑，如冶金、化工用螢石[29]、石鹽等。它們分別適用于不同的熱加工組分體系，加入這些非金屬礦產(chǎn)(物)對(duì)體系具有助熔的作用，可降低生產(chǎn)溫度并節(jié)能降耗。

長(zhǎng)石在陶瓷、玻璃行業(yè)是重要的工業(yè)配方組分和助熔劑原料[30]。長(zhǎng)石的熔點(diǎn)、熔融間隔、熔體的黏度等性質(zhì)具有重要的應(yīng)用意義，鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石的熔點(diǎn)分別為1 290、1 215、1 552 ℃，由于長(zhǎng)石中常存在類(lèi)質(zhì)同象替代，故熔點(diǎn)是變化的。長(zhǎng)石混合物的熔點(diǎn)較單一成分的長(zhǎng)石熔點(diǎn)低，如30%鉀長(zhǎng)石與70%鈉長(zhǎng)石，或30%鉀長(zhǎng)石和60%鈉長(zhǎng)石及10%鈣長(zhǎng)石混合，其熔點(diǎn)約為1 190 ℃。長(zhǎng)石含有堿金屬和堿土金屬，可以使多相的硅酸鹽混熔系統(tǒng)的熔點(diǎn)大大降低，如純高嶺石的熔點(diǎn)為1 770 ℃以上，純石英的熔點(diǎn)在1 713 ℃以上，如果在Al2O3-SiO2系統(tǒng)加入長(zhǎng)石，則在985±20 ℃即開(kāi)始出現(xiàn)液相，而且長(zhǎng)石的含量越多熔融溫度越低。又如蛇紋巖富含氧化鎂[27]，是優(yōu)質(zhì)的堿性煉鐵熔劑配料，同時(shí)可使燒結(jié)礦具有較好的結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械強(qiáng)度，不僅具有造渣劑的作用，而且可明顯改善爐渣流動(dòng)性。

因此，這類(lèi)非金屬礦產(chǎn)(物)的助熔屬性決定了它們具有顯著的節(jié)能降碳作用。用作助熔劑的非金屬礦產(chǎn)(物)還有硅灰石、透輝石、透閃石、芒硝、玄武巖、堿性花崗巖、珍珠巖等，許多還需進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。

2.4 非金屬礦物材料的膠凝屬性與節(jié)能降碳

水泥是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中使用量最大的膠凝材料。我國(guó)水泥年產(chǎn)量多年位居世界首位，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)與騰飛做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。然而，水泥的生產(chǎn)溫度高達(dá)1 450 ℃，所使用的石灰原料在生產(chǎn)中分解并釋放CO2氣體，粗略計(jì)算每生產(chǎn)1 t水泥熟料約排放1 t CO2氣體。在節(jié)能降碳方面，從2017年到2020年的3年間，我國(guó)水泥行業(yè)節(jié)能先進(jìn)企業(yè)的可比熟料綜合能耗平均值已從103.3 kgce/t下降到95.5 kgce/t；2020年，70%水泥企業(yè)的熟料綜合能耗值均低于115 kgce/t[31]。在“碳達(dá)峰、碳中和”的時(shí)代要求面前，膠凝材料行業(yè)如何適應(yīng)“雙碳”工作大局，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

在非金屬礦物膠凝材料方面常見(jiàn)的有熟石膏、石灰、菱苦土等，相對(duì)于水泥的生產(chǎn)具有突出的節(jié)能降碳作用。如采用天然石膏或符合要求的工業(yè)副產(chǎn)石膏生產(chǎn)熟石膏膠凝材料，生產(chǎn)溫度可低于350 ℃，且原料在生產(chǎn)過(guò)程中不釋放CO2氣體；熟石膏可代替水泥用于制備輕型砌塊和墻體、墻面抹灰、裝飾裝修板材等方面，高強(qiáng)石膏膠凝材料則具有更優(yōu)異的膠凝性能，在代替水泥用作膠凝材料時(shí)具有更廣泛的用途[32]；而采用石灰石(巖)等生產(chǎn)石灰的溫度在1 000 ℃左右，遠(yuǎn)低于水泥熟料的生產(chǎn)溫度，不僅可代替水泥，而且可與經(jīng)過(guò)高溫過(guò)程的工業(yè)固廢或火山灰類(lèi)物質(zhì)經(jīng)配方后形成堿激發(fā)膠凝材料，與傳統(tǒng)水泥相比，強(qiáng)度高，水化熱低，具有抗凍、快硬、抗腐蝕及耐久等優(yōu)良性能，可廣泛用作工業(yè)固廢堆場(chǎng)固化穩(wěn)定、采礦孔回填、高速公路基層或底基層處理及河(湖、海)的擋水堤壩等與建筑砌塊、墻體等建筑材料的膠凝材料[33]；菱鎂礦或白云石經(jīng)800～850 ℃溫度下煅燒后可制成菱苦土或白云石灰，與氯化鎂、硫酸鎂等鹽類(lèi)溶液拌和后制成氯氧鎂水泥，對(duì)有機(jī)物無(wú)腐蝕性，配以竹筋、葦筋和無(wú)機(jī)纖維或輕質(zhì)骨料制成混凝土，具有較好的抗裂性能，也可用作地板材料、家具板材和墻體材料等[34]。為克服氯氧鎂水泥易泛霜和性能下降的不足，通過(guò)外加劑改性已取得重要進(jìn)展。

膠凝材料在工業(yè)及民用建筑工程中用量很大，而水泥在生產(chǎn)過(guò)程中的能耗和CO2排放量都很大，非金屬礦物膠凝材料在許多應(yīng)用場(chǎng)景中可代替水泥，加大推廣和應(yīng)用對(duì)于節(jié)能降碳具有重要的作用。

2.5 非金屬礦產(chǎn)(物)的催化和載體屬性與節(jié)能降碳

非金屬礦產(chǎn)(物)因具有陽(yáng)離子交換性、多孔性、表面積大和表面化學(xué)斷鍵不飽和等屬性而在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中被用作催化材料，包括化學(xué)催化和光化學(xué)催化劑或載體，以加快反應(yīng)過(guò)程、提高產(chǎn)品的純度或產(chǎn)出效率等，并達(dá)到節(jié)能降耗和降碳的目的[35]。如高嶺土、沸石、活性白土等用作催化劑及載體等；部分具有半導(dǎo)體性能的礦物具有優(yōu)異的光催化性能，不僅具有光催化降解有機(jī)廢物和抗菌作用，而且在太陽(yáng)能作用下通過(guò)光催化可將水、CO2轉(zhuǎn)化為氫、甲烷等燃料[36-37]。

化學(xué)催化使用的催化劑在反應(yīng)物發(fā)生作用過(guò)程中可以改變化學(xué)反應(yīng)的速率，而自身不出現(xiàn)于產(chǎn)物中?；钚越M分可以是單一物質(zhì)，也可以是多種物質(zhì)構(gòu)成。礦物催化劑是一種本身就具備吸附性的物質(zhì)，同時(shí)具有一定的催化活性作用，可在高溫和高酸堿環(huán)境中使用，通常作為催化劑載體。常見(jiàn)的有高嶺土、膨潤(rùn)土、硅藻土、沸石、凹凸棒石與海泡石等及其改性活化產(chǎn)物，如酸活化高嶺土、活性白土、4A或5A沸石等[38-41]。

光催化技術(shù)是一項(xiàng)可以利用太陽(yáng)光能來(lái)進(jìn)行清潔能源生產(chǎn)、環(huán)境污染治理和二氧化碳轉(zhuǎn)化的新技術(shù)，在氫能生產(chǎn)、空氣凈化、污水處理、國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、建材、電力、化工等眾多領(lǐng)域具有廣闊的前景。如在光催化制氫方面可利用太陽(yáng)能將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣；在光催化合成方面可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇等燃料；這兩種技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，都可大大減少能源礦產(chǎn)的利用，進(jìn)而減少二氧化碳的排放，在解決全球性能源短缺和二氧化碳減排等重大問(wèn)題方面具有廣闊的應(yīng)用前景[42]。

天然產(chǎn)出的銳鈦礦、金紅石、水鈉錳礦、赤鐵礦、針鐵礦等都具有一定的光催化能力，而蒙脫石、硅藻土、高嶺石、云母粉、天然浮石和膨脹珍珠巖等具有表面積大、吸附性強(qiáng)、疏松多孔及耐高溫、耐酸堿等優(yōu)良性能，常被用作光催化劑的載體。以金紅石作為光催化材料處理含偶氮染料廢水既有吸附作用又具有光催化降解作用[43]，將銳鈦礦型TiO2、C3N4、鈣鈦礦等納米光催化活性粒子負(fù)載于蒙脫石[44-45]、硅藻土[46-47]、云母粉[48-49]等表面上，不僅增加活性組分分散性和比表面積，進(jìn)而提高光催化效率，而且在工業(yè)廢水處理過(guò)程中也便于復(fù)合光催化劑的回收和重復(fù)利用。

廣泛分布于地球陸地最頂層的“礦物膜”，被認(rèn)為是地球的第四大圈層，是天然的光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。富含水鈉錳礦、赤鐵礦、針鐵礦、銳鈦礦、金紅石等半導(dǎo)體礦物，具有良好的日光響應(yīng)能力，光電轉(zhuǎn)換性能穩(wěn)定、靈敏且長(zhǎng)效[50]，在日光輻射下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為礦物光電子能量，不僅可以光催化裂解水產(chǎn)生氧氣和氫氣，而且可促進(jìn)大氣和水體中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物[51]?？梢?jiàn)，自然界中廣泛存在具有半導(dǎo)體性能的礦物，一直起著光催化劑的作用。這不僅說(shuō)明地球表層廣泛分布的非金屬礦物對(duì)于儲(chǔ)碳降碳的作用，而且也為開(kāi)發(fā)新型光催化礦物材料提供了方向。

2.6 非金屬礦物材料的應(yīng)用代替屬性及新型礦物材料研發(fā)與節(jié)能降碳

非金屬礦物材料可廣泛替代人工合成材料，這種應(yīng)用替代屬性具有明顯的節(jié)能降碳作用。非金屬礦產(chǎn)(物)通過(guò)深度加工制備的功能性礦物材料，可廣泛代替包括大多數(shù)高能耗工藝生產(chǎn)的無(wú)機(jī)或有機(jī)材料，采用天然礦物材料比人工合成材料具有更好的節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)。如天然石墨材料代替人工合成的石墨材料，方解石和白色大理巖超細(xì)加工的重質(zhì)碳酸鈣粉代替煅燒、消化、合成的輕質(zhì)碳酸鈣粉，黏土礦物和沸石礦物吸附材料代替活性炭、合成沸石，天然礦物纖維、晶片代替高溫熔融制備的玻璃纖維、礦棉纖維和玻璃鱗片及合成有機(jī)纖維等，絹云母巖的超細(xì)粉(含云母和石英)作為橡膠增強(qiáng)填料代替白炭黑，等等。

新型礦物材料的研發(fā)對(duì)于節(jié)能降碳具有重要的意義。高純石英涉及電子信息和新能源光伏發(fā)電領(lǐng)域中的石英坩堝、單晶硅、芯片、光導(dǎo)纖維及尖端光學(xué)材料的制備。光伏發(fā)電是推動(dòng)電力能源向低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2012—2020年光伏裝機(jī)總量從624.8萬(wàn)kW增長(zhǎng)到25 317.0萬(wàn)kW?，F(xiàn)有光伏裝機(jī)的年均碳減排效益約為2.0億t，到2030年累計(jì)可以達(dá)到19.2億t，對(duì)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的落實(shí)具有重要推動(dòng)作用[52]。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)鏈也位于世界領(lǐng)先水平，在全球前十的光伏硅晶制造企業(yè)中，有7家是中國(guó)企業(yè)，同時(shí)光伏產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)和完整程度也遠(yuǎn)高于其他國(guó)家[53]。石墨具有耐高溫性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、潤(rùn)滑性、化學(xué)穩(wěn)定性、可塑性、抗熱震性、抗輻射性和中子減速等優(yōu)異性能，高純石墨材料涉及核石墨、超低溫固體潤(rùn)滑劑、電子材料、航空航天(導(dǎo)電、散熱、輕質(zhì)、高強(qiáng)石墨)等高端裝備制造及高儲(chǔ)能和新能源材料(超級(jí)電容器和電池材料)等高技術(shù)領(lǐng)域[54-55]。石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、較大的理論比表面積、高載流子遷移率、高楊氏模量以及高熱導(dǎo)率等特性，一直以來(lái)被視為新能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用材料[56]。石墨烯作為涂層可以加強(qiáng)鋰離子氧化電極和石墨烯-硅復(fù)合電極，石墨烯應(yīng)用到超級(jí)電容器能夠部分替代或者全部替代活性炭材料，基于石墨烯復(fù)合材料的超級(jí)電容器可以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，同時(shí)在燃料電池、儲(chǔ)氫介質(zhì)等裝置中也是優(yōu)良的電催化劑材料，并可應(yīng)用于不同類(lèi)型的太陽(yáng)能電池中[57-58]。高純石英、石墨及石墨烯與光伏發(fā)電、新型電池或超級(jí)電容器儲(chǔ)能材料相結(jié)合具有重要的節(jié)能降碳和資源與環(huán)境保護(hù)意義。此外，如銳鈦礦、金紅石光催化性能和光-電轉(zhuǎn)換性能，電氣石的熱-電轉(zhuǎn)換性能，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)礦物和石英的機(jī)-電轉(zhuǎn)換性能等等，具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的石墨、絕緣性能的白云母、耐火的金云母等，以及比表面積大、陽(yáng)離子交換容量高、吸附性強(qiáng)的蒙脫石、坡縷石、海泡石黏土礦物等等，基于節(jié)能、降耗、降碳的目的具有開(kāi)發(fā)諸多新型礦物材料的潛力。

基于礦物的功能屬性，許多礦物可以被開(kāi)發(fā)為用途廣泛的新型礦物材料，并代替人工合成材料。在自然界已知的4 000多種礦物和700種巖石中，每種礦物或巖石都有不同和特殊的理化性能，為工業(yè)開(kāi)發(fā)提供了豐富多樣的應(yīng)用技術(shù)性能，通過(guò)深度加工可生產(chǎn)品種繁多的非金屬礦材料，可為國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域包括基礎(chǔ)材料工業(yè)、環(huán)境保護(hù)業(yè)、新興信息產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造業(yè)和新材料等新興產(chǎn)業(yè)的節(jié)能降碳提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

3 節(jié)能降碳非金屬礦(物)與非金屬礦物材料開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題

非金屬礦(物)與非金屬礦物材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重大和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，在開(kāi)發(fā)研究和生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)基于節(jié)能降碳的理念，充分關(guān)注如下關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)當(dāng)前，在非金屬礦(物)與非金屬礦物材料的節(jié)能降耗利用方面做了大量的工作，在非金屬礦產(chǎn)(物)開(kāi)發(fā)、節(jié)能降耗、深度加工與新型礦物材料研發(fā)與推廣應(yīng)用等方面取得突出的成效，但對(duì)于在雙碳戰(zhàn)略指導(dǎo)下，如何形成非金屬礦(物)與非金屬礦物材料自身的理論和技術(shù)原理體系，并在相應(yīng)的理論和關(guān)鍵技術(shù)原理體系的指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用和示范，應(yīng)加快規(guī)劃與實(shí)施。

(2)非金屬礦物材料是基于非金屬礦產(chǎn)(包括礦物或巖石)的理化性能屬性的不同而進(jìn)行加工和應(yīng)用的，包括礦物(或巖石)的可膨脹性、保溫絕熱性、助熔性、比表面積大、多孔性、催化性、加熱分解與水化反應(yīng)性及光-電轉(zhuǎn)化性等，具體如石英巖的可高純化加工性、鱗片石墨的可石墨烯化剝離分散性，等等。因此，基于非金屬礦物化屬性和深度加工關(guān)鍵技術(shù)的非金屬礦產(chǎn)找礦評(píng)價(jià)規(guī)范的制定就顯得十分重要。

(3)非金屬礦產(chǎn)(物)的深度加工技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)非金屬礦物材料的巨大增值，而且可實(shí)現(xiàn)新材料制備的重大突破。如石英巖制備高純石英材料技術(shù)仍是“卡脖子技術(shù)”，目前超高純石英砂國(guó)際市場(chǎng)仍被美國(guó)Unimin公司所壟斷；石墨分散剝離制備石墨烯技術(shù)則開(kāi)創(chuàng)了石墨材料制備與應(yīng)用的新領(lǐng)域；在非金屬礦產(chǎn)(物)與礦物材料研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)及應(yīng)用過(guò)程中，要加強(qiáng)非金屬礦物膨脹、絕熱、助熔、催化、膠凝、能量轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)碳固碳機(jī)理的研究，并基于非金屬礦物的理化屬性和可加工屬性加強(qiáng)礦物材料高純化、納米化、多孔化、有機(jī)化、功能化和高技術(shù)化等深度加工技術(shù)研究。

(4)在非金屬礦物保溫絕熱材料、助熔材料、膠凝材料、催化劑與載體材料及新型能源礦物材料方面進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃，突破高膨脹率膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、膨脹頁(yè)巖膨脹機(jī)理與絕熱礦物材料加工關(guān)鍵技術(shù)，蛇紋石(巖)、長(zhǎng)石、霞石、螢石、白云石等礦物的助熔機(jī)理與助熔劑配制關(guān)鍵技術(shù)，高強(qiáng)石膏膠凝材料強(qiáng)度形成機(jī)制與制備關(guān)鍵技術(shù)，比表面積大、多孔礦物(酸化高嶺土、活性白土、沸石、硅藻土、坡縷石等)及光-電轉(zhuǎn)換礦物(鈣鈦礦、銳鈦礦、金紅石、水鈉錳礦等)用作催化劑和光催化劑及載體的催化與光-電轉(zhuǎn)化機(jī)理與加工關(guān)鍵技術(shù)，非金屬礦物儲(chǔ)碳固碳礦物材料制備關(guān)鍵技術(shù)與固碳機(jī)制，新型能源材料領(lǐng)域用高純石英、高純石墨等高純化關(guān)鍵技術(shù)，等等。

4 結(jié)語(yǔ)

非金屬礦產(chǎn)(物)是自然界產(chǎn)出(即天然合成加工)的有用礦物原料，經(jīng)采選與深度加工后可成為應(yīng)用廣泛的非金屬礦物材料，相對(duì)于金屬、能源、化工和水泥、玻璃、陶瓷等工業(yè)生產(chǎn)的材料，具有顯著的節(jié)能降耗降碳、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)可持續(xù)效益。

非金屬礦產(chǎn)(物)具有自然產(chǎn)出的屬性，所加工形成的礦物材料相對(duì)于其他無(wú)機(jī)和有機(jī)材料的制備與加工過(guò)程具有明顯的節(jié)能降碳作用；非金屬礦產(chǎn)(物)及礦物材料的保溫絕熱屬性、助熔屬性、膠凝屬性、催化與載體屬性、應(yīng)用代替屬性及工程應(yīng)用或直接實(shí)現(xiàn)碳減排或助力碳減排；非金屬礦產(chǎn)(物)對(duì)CO2的吸收則具有碳儲(chǔ)存的作用。因此，非金屬礦(物)與非金屬礦物材料在節(jié)能降碳技術(shù)領(lǐng)域具有重要的作用。

“雙碳”目標(biāo)下我國(guó)非金屬礦(物)與非金屬礦物材料的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用，要建立起自身的理論和技術(shù)原理體系，瞄準(zhǔn)非金屬礦產(chǎn)(物)顯著的節(jié)能降碳理化屬性，不僅在找礦評(píng)價(jià)技術(shù)與規(guī)范方面加以重視和完善，而且在基于非金屬礦物理化屬性的節(jié)能降碳機(jī)理、深度加工技術(shù)及在非金屬礦物保溫絕熱材料、助熔材料、膠凝材料、催化劑與載體材料及新型能源礦物材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。