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无机材料化学的定义和研究范围
来源：网络 时间：2009-3-7 20:12:46
无机材料化学是研究无机材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门学科[1, 7]。West[4]和苏勉曾[8]等人在探讨“固体化学”学科时，也得到了类似的结论。虽然材料科学是材料学家和物理学家探索得十分活跃的领域，但化学家（或在材料化学方面工作的材料学家）对此领域的贡献有着自己的特点和风格[5]。无机材料化学主要研究下述五个方面的问题：
一、无机材料的制备原理
粉末、单晶和薄膜的制备，水热法、溶胶–凝胶法、微波法等制作技术，都是常见的无机材料化学研究的内容。陶瓷等无机材料制备方法较为独特，因此，与之相关的固相反应和烧结也是本学科研究的重要课题。和传统化学不同，无机材料化学极少研究含水系统，而将注意力集中在复杂的多元（多组分）系统的凝聚态相图。这些多元系统往往与无机材料化学过程有直接的关系，例如CaO–Al2O3–SiO2–Fe2O3的高CaO区，控制了水泥熟料的配料和烧成温度制度。在这些体系中，凝聚态相律是适用的，压力可以看做不是一个影响体系的变量，蒸气相也不重要，温度是仅有的外界条件。金属材料多采用熔炼法，因而在传统上，相变与冶金过程有重要联系，但实际上，相变还与众多的无机非金属材料及其制备过程有关。例如，气–固相变与制作精细陶瓷及其薄膜的化学气相沉积法密切相关。无机材料制备原理研究常见的工作，往往是通过相关相图的分析先确定配方，再用水热法或固相反应法制备，然后对制取的样品用XRD作结构分析，并进行表征。在许多情况下，正是新型化合物的制备成功，开辟了新的研究方向[5]。例如，20世纪70年代英国新堡（New Castle Upon Tyne）大学Jack等合成的塞龙（sialon）陶瓷（含Al2O3的β–Si3N4固溶体）[4]，开辟了高温结构陶瓷（可供制作陶瓷发动机内衬）的新方向。有时，制备技术成了整个研究方向的“控制步骤”。例如，国内外目前仅有少数厂家能在个别品种上制出无团聚的纳米粉。团聚问题不解决，就很难认为已成功地制成了纳米粉和纳米材料[11]。
二、无机材料的成键本质和结构
无机固体材料的成键本质与固体材料的结构和性质密切相关。其中能带理论占有突出的地位，它涉及许多固体物理方面的内容。关于无机材料结构的研究所涉及的层次，是许多学者探讨过的问题[4, 12]。作者与苏勉曾讨论后觉得，它应包括下述四个层次的问题。
（一）晶体结构
主要是研究非分子型的材料。在分子型物质中，物质的结构和性质属于单个分子，而研究分子型材料的结构则是量子化学和结晶化学的任务[4]。
（二）晶态固体亚微观结构
和上述（一）不同，这个层次不是在研究结构化学中的结晶化学问题，而是在讨论陶瓷多晶材料亚微观结构中晶粒的尺寸分布和形状、晶粒间的晶界以及晶体中的位错等问题。显然，上述两种不同的研究层次与尺度有关；（一）中的研究层次涉及到纳米（10-9 m）以下的问题（晶体结构）；而（二）中的层次则是在几至几十纳米（与纳米陶瓷等纳米材料有关），以及零点几至几十微米（10-6 m, 精细陶瓷或先进陶瓷，fine ceramics or advanced ceramics），甚至100微米以上（传统陶瓷）的尺度来讨论。
图1.2 陶瓷多晶材料亚微观结构
（三）纳米尺度结构
这个问题与上述第（二）个层次中关于纳米材料的问题有些联系，但前者的范畴比后者要宽广得多。凝聚态物理学的研究明确了一系列特征长度：例如电子的波长及平均自由路程、激子的半径、铁磁性向超顺磁性转变的临界尺寸等。跨越这些特征长度将导致新的物理效应出现[13]。这些特征长度往往处于纳米尺度范围之内。从化学的角度来看，纳米材料最突出的特征在于其表面与界面处的原子数目足以与体内的原子数相比拟，从而其表面和界面的化学性质表现得异常活泼。已有证据表明，在几个到几十个原子所构成的纳米团簇中，每增加或减少1个原子，都能导致可觉察的化学性质的改变。实用高效的催化剂多是以纳米微粒形式存在的，这方面的研究提供了巨大的挑战和机遇。纳米晶粒结构的陶瓷材料除高强度外，由于晶界部分所占的体积大幅度提高，则具有显著改善了的塑性。
（四）非晶态结构、表面结构和晶体组成和结构缺陷
非晶态结构是对上面第（一）方面所述的理想晶体结构的一种偏离。非晶态是物质的一种聚集状态，其重要性与（结晶）固态、液态和气态相同。“无机固体材料的相变或化学反应”，“如晶体的生长、凝聚、熔融、外延、区域规整反应等”，都是首先从“表面上开始的”[14]。缺陷化学则是无机材料化学中最核心的内容之一[7, 15]。按照这一理论，理想晶体的完整点阵结构是一个理论上的概念，自然界的选择是不完整的点阵结构[47]。这一理论近几年被应用到光诱导TiO2超亲水或两憎表面的研究，取得了极大的成功[16,17]。本书作者运用缺陷化学和固溶体的理论，从理论上提出制备MxTi1-xN y O2-y（M为金属离子，x、y为变量）表面特殊润湿性能纳米薄膜的可能性，获2005年的国家自然科学研究基金[48]。
三、无机材料的表征
对于无机材料的组成和结构，往往可采用多种表征手段。中子衍射在非化学计量化合物（以及玻璃态物质）的组成和结构分析上得到了广泛应用[4]。微区分析（microprobe analysis）在缺陷的研究中起了重要的作用。有意思的是，在传统化学上常用的光谱分析在无机材料化学中显得不那么重要，虽然它可用于测定杂质原子占据正常结点位置的情况，只要杂质以某种方式在光谱上是有活性的，但是这种光谱常常不包括扩展到一个特定原子直接配位的环境以外的信息[4]。荧光EXAFS（扩展X射线吸收精细结构）谱能提供材料中微区组成和结构的信息，即使对粉末样品（结晶或无定形的）也是如此[6, 18]。此外，光谱分析还可用来判断液相中表面活性剂对固体颗粒分散相的吸附情况等。无机材料化学特别重视包括上述中子衍射在内的各种衍射方法和显微技术。几乎所有晶体结构都是用X射线衍射测定的。晶态固体的亚微观结构，例如晶界、位错等，常用电子显微镜来观察。另外，热分析技术在无机材料化学上也得到了广泛的应用。
四、无机材料的物理性质及反应性能
这方面涉及无机材料的力、声、光、热、电、磁等性质，与材料的组成和结构密切相关；此外，无机固体反应性的研究[5, 19]，主要是固相反应和多相催化等问题。例如，按照初级化学的理论，会存在A + B = C的关系；但是，按照固相反应的理论，可能A + B =D, E,或F等中间产物，最后才得到C；并且还有可能出现G, H, I等副产品。在材料科学与生命科学交叉地带，无机非金属材料表现出一种所谓的“边缘性质”。近年来，研究者对此极感兴趣，对探讨无生命材料参与有生命组织的过程，例如研究羟基磷灰石（hydroxyapatite）纳米粒子抑制肿瘤细胞的机理，做了许多积极的工作[20]。
五、无机材料的设计
无机材料化学具有浓郁的应用理科性质，或者说带有一定的工艺性[15]。关于材料应用方面的研究，目前议论较多的是为某种应用目的而制造无机材料，即材料设计问题。郭景坤较准确地表达了这一概念，他指出，有理论指导的材料研究，“根据使用上的要求对材料的组成和结构进行设计以达到所要求的性能，这是发展新材料的必由之路”[21]。例如,为改善陶瓷的力学性质，设计出二氧化锆增韧陶瓷（可制作陶瓷刀具）、纳米晶粒陶瓷和梯形材料等。此外，为改善材料的电学性质，设计出有机–无机复合材料。关于复合材料的设计，可参考吴人洁的一些文章[22]。
上述五个方面的划分并不是绝对的，例如烧结和再结晶问题，既属于陶瓷材料制备原理的范畴，又涉及材料的亚微观结构。
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造纸业“白纸黑水”困局
作者: Marco 来源: 中国纸网 日期: 2006-9-5
造纸，这个缔造了人类辉煌的四大发明之一，如今正遭受着环境文明意识的拷问：消耗大量自然资源、高污染、低贡献……国内造纸企业正在通过技术创新等努力，改变和克服这一行业环保难题。
据官方数据统计，全球造纸业生产、消费率以每年2%—3%的速度增长，而亚洲则以8.5%的增长率位居各大洲之首。
在国际大环境下，目前，我国造纸业也步入了快速增长期，近10年来，以18%的增长速度列亚洲之首。现在，中国已经是世界上仅次于美国的第二大纸品消费国。
面临如此大好的市场环境，东发造纸厂总经理叶展钧却显得有些忧虑，“在这样的大环境下，现在的造纸行业无疑比几年前更残酷，政策环境也更苛刻，作为民营造纸企业，生存条件更艰难……”
造纸业困局：高增长、高污染、低贡献
造纸业高速发展的背后是污染严重、原材料匮乏、产品结构不合理等一系列亟待解决的问题。其中，又尤以环境污染问题最为突出。
国家环保总局污控司副司长李新民介绍说，2004年国家统计的41个工业行业中，造纸行业废水排放总量仅次于化工制造业，高居第二。造纸及纸制品工业每年产生废水31.8亿吨、排放COD(主要污染物化学需氧量)148.8万吨，分别占全国工业废水、COD总排放量的16.1%和33.0%。而与以上数据形成鲜明对比的是，造纸业对中国经济的贡献率仅为2.2%。
东发造纸厂是广东省的一家普通造纸厂，但也面临同样的现实问题：如何走出一条污染少、科技含量高、经济效益好、资源消耗低的新型工业化道路呢？
据东发造纸厂总经理叶展钧介绍，1995年选址在广东省东莞市道 镇大罗沙工业区建厂，短短十年间，员工从创业时的50人，发展到今天的500名，工厂占地100多亩，拥有4条先进的灰板纸生产线，年产灰板纸15万余吨、裱纸3万余吨。目前该厂已经成为广东省造纸行业最大的废纸分选处理中心和灰板纸生产企业。
但是，在企业做大做强，并拥有了一定知名度和影响力的同时，叶展均又有了心事：近年来国家对于环境保护的要求越来越高，自己的造纸厂如何达标成为绿色环保产业。
造纸业如何打破“白纸黑水”困局
人们常用“白纸黑水”来形容造纸业的高污染现状。叶展钧认为，要想突破这一困局，清洁生产、节能降耗、“林纸一体化”和扩大废纸回收利用是行之有效的手段。
“废纸作为造纸原料之一，既可减轻污染环保，又可减少森林砍伐，节省原生纤维资源，缓解原料紧张局面，经济和社会效益十分显著。”
为了有组织、有指导地进行废纸收集、分类和供应，东发造纸厂日前已经设立了专门的废纸回收机构，制定统一废纸分类标准，对废纸进行分类、回收和处理。
叶展钧介绍说，公司一直致力于新产品的研发创新和产品质量的提高，并制定了“以人为本，品质为冠，持续提高，精益求精”的质量方针。目前其产品已经通过了ISO9001、2000质量管理体系国际认证，各项技术指标也都已达到国家标准。公司产品目前处于国内先进水平，在提供各种规格一次型的优质双灰纸和裱合纸方面“可以位列国内第一梯队”。
除了对产品质量和技术的“苛求”和创新之外，叶展均认为，还应该通过优秀的企业文化影响和提高职工的行业环保意识。
“用爱心和榜样的力量去感化人，用尊重理解的方法去帮助人，用能力和积极的品格去影响人，用设法提供舞台和机遇去吸引人。”这是叶展均的“老板经”。
他指出，企业必须依靠科技创新、科学管理和优质服务才能赢得市场和企业信誉。现在，“协作、勤奋、创新、诚信”的企业理念已经融入到工厂经营的全过程，成为指导企业发展的灵魂。
面对目前造纸行业高增长、高污染现状，叶展均认为，企业除了通过技术创新加强环保意识外，也应该更多的回馈社会。据了解，叶展均向当地贫困儿童、孤寡老人和贫困家庭的捐款已经近百万。这些善举也改变了世俗中人们对一个造纸厂固有的不良印象。
“做企业一定要脚踏实地，现在东发已经与国内国际知名企业都保持长期合作关系，争取在未来3年打开省外市场，未来5年打入国际市场。”对于未来，叶展钧充满信心。
据业内人士介绍，在未来几年内，中国造纸业增长速度仍将高于GDP的增长速度，预计其增幅将在10%—15%之间。这一大好的发展形势对于国内造纸企业来讲，既是发展良机，同时也面临环保挑战。 责任编辑: Marco
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粉煤灰治理制浆造纸废水 脱色脱味
www.xlc.cn 网载 2006-04-20
来源： 纸业联讯
众所周知，制浆造纸是用水大户，吨纸用水量高达300-500吨，我国造纸污水排放量占工业污水量的1/6，COD和SS均占1/4，造纸污水是水污染治理的重点，近日来，政府也在严厉打击造纸厂污水乱排现象。
粉煤灰是以煤为燃料的火力发电厂所排放的固体废弃物，每一万千瓦发电机组排出灰渣量1万吨左右,其中粉煤灰占85%。目前，我国燃煤发电厂排放粉煤灰达数千万吨，但其利用率只有25%左右。用粉煤灰可以处理造纸污水，是以污治污，充分利用资源一条新途径。
粉煤灰中含有二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、三氧化硫等氧化物及一定比例活性炭的多孔性物质，密度为2.1-2.4千克/立方米，容重500-1000千克/立方米，粒度4900孔/平方厘米。粉煤灰对污水中多种阳离子及有机物等污染物具有较强的吸附、离子交换和絮凝共沉作用，研究表明，对污水色度有明显的去除效果。
用酸化后的粉煤灰去除造纸污水的色度，通过研究粉煤灰的细度、用量及作用时间对色度去除率的影响，得到结论：每升造纸污水用重量35g、细度在200-300目的粉煤灰，处理20分钟，污水色度去除率能达到95%以上。
造纸废水污染 如何突破白纸黑水
时间：2006-5-21
造纸业排放的大量废水中，衡量水污染程度的最重要指标COD占全国工业总排放量的1/3以上！相当多的造纸企业“制造出白纸却染黑了河水”———
造纸废水污染代价高昂 如何突破“白纸黑水”困局
“只要是污染严重一些的河流，十有八九都有造纸废水排进来！”当记者最近在淮河流域采访时，当地环保部门负责人纷纷声讨一些中小造纸厂的严重污染。
造纸业造成的结构性污染被认为是淮河污染的主要因素之一。其实，造纸废水污染不仅仅存在于淮河。在我国七大水系的污染中，造纸企业的“贡献”都不小。
“白纸黑水”：高昂的生态代价
造纸术是中华民族的四大发明之一，是人类文明史上的重要成果。今天，纸及纸板的消费水平已成为衡量一个国家现代化水平和文明程度的重要标志之一。最近几年，我国的纸和纸板产量增长迅速，2003年纸及纸板产量4300万吨，消费量4806万吨，均居世界第二位。
然而，我国的造纸业在造出纸张、传承文明的同时，对可持续发展的生态文明也构成了严峻挑战。目前，除西藏外，我国其他省、市、自治区都有造纸企业，总数达3500多家，其中绝大多数是中小型造纸企业。由于原料结构不合理、科技水平较低、污水处理设备不到位，不少造纸企业既是当地的利税大户，也是污染大户。
据统计，目前我国造纸业排放废水占全国工业废水排放总量的15％左右；COD（水中主要污染物化学耗氧量）排放占全国工业COD排放总量的1／3以上。
造纸业造成的水资源浪费现象也很严重。目前，我国每生产一吨纸，平均耗水量高达100吨，是世界先进水平的3倍以上。
“制造出白纸却染黑了河水，”南京林业大学化工学院教授、国际木材科学院院士李忠正教授说，“我们为纸业庞大的生产能力付出了高昂的生态代价，造成了严重的环境污染和资源浪费。”
目前我国纸及纸板的人均年消费量为37公斤，低于世界人均消费56公斤的水平，与欧美发达国家人均消费量250公斤更是相差甚远。据预测，2005年我国纸及纸板消费量约5000万吨，2010年将达7000万吨。巨大的市场空间使这位环保专家忧心忡忡，“造纸企业如果不走出一条新的可持续发展之路，而是遍地开花粗放发展，将进一步突破环境容量，造成巨大的生态灾难。”
绿色造纸：与环境友好发展
“在科学发展、人与自然协调成为时代强音的今天，解决污染问题，保护生态环境，已经成为我国造纸业生死攸关的‘第一要务’！”中国工程院院士、中国人民大学环境学院院长李文华强调。
最近，国家环保总局公布了全国首批4家“国家环境友好企业”，我国目前最大的造纸企业———金东纸业名列其中。环保专家认为，绿色造纸的“金东模式”对我国造纸业具有重要的示范意义。
位于江苏镇江的金东纸业，是一个花园式工厂。这是金光集团亚洲浆纸业有限公司（APP）在中国的12家造纸企业之一，作为世界单厂规模最大的铜版纸生产厂，目前年产能超过100万吨。
在厂区内日处理能力达5万吨的污水处理厂旁，记者看到了一个绿树青草环绕的池塘，数百条锦鲤悠游其中。吴省芳总经理介绍说，池塘里的水都是经过生物法处理后的废水，低于国家一级排放标准。用废水养鱼不仅是一道景观，也是一种生物监测手段，以确保废水全部达标排放。治理后的废水不仅用于养鱼，每天还有3000吨用在道路清洁、绿化灌溉、厂区抑尘等方面。
吴省芳告诉记者，金东纸业的纸机采用白水全封闭循环，每吨纸耗水现在已经降到10吨，只有国家标准的1／6，大大减少了水资源消耗及废水排放量。
建厂7年来，金东纸业共投入9亿元用于环保设施工程。自备热电站二氧化硫的脱除率达90％以上；锅炉烟尘去除率在99％以上；锅炉产生的粉煤灰也变废为宝，用于水泥制造、混凝土砌块生产等；污水处理过程产生的污泥经脱水后放入锅炉和煤一起燃烧，既充分利用了污泥中的纤维等有机物热值，又减少了固体废弃物的产生。
“金东纸业成为造纸业第一家‘国家环境友好企业’，这说明黑水并不一定和白纸相伴而生，造纸企业也绝不是污染大户的同义词，”国家环保总局有关负责人认为，“造纸业完全能走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源得到充分发挥的新型工业化道路。”
由草到木：治污从源头开始
在业内专家看来，加速造纸原料由“草”到“木”的转变，减少污水排放和水资源消耗，是“金东模式”给造纸业带来的另一个重要启示。
长期以来，由于森林资源短缺、草类资源丰富，我国造纸业选择了一条以草浆造纸为主的发展道路。规模的限制以及治污技术不过关，导致水资源消耗水平居高不下，污染治理水平较低。国际上化学木浆生产，吨浆耗水30吨以下、COD排放量30—50公斤；我国化学草浆生产，吨浆耗水高达200吨、COD排放量达1350公斤左右。我国草浆生产COD排放量占整个造纸业排放总量的60％左右，是主要的污染源。
目前我国造纸原料中木浆比例约20％，而国外造纸业发达国家木浆比重高达60％以上。木浆比重太低严重限制了我国造纸工业向规模大型化、技术装备现代化、生产清洁化的方向发展。
金光集团APP中国林浆事业部副总经理邱俊德认为，原料结构不仅影响纸产品的品种、档次和质量，还影响着企业的建设规模、装备水平以及环境污染的治理。因此，APP选择了“林纸一体化”的发展道路，把植树造林作为“第一车间”，在华的5家造林企业自1994年至今，已在广西、广东、海南等地造林近200万亩，并全部通过了ISO14001环境质量体系认证。
林纸一体化是国际造纸业发达国家的成功经验。实际上，我国20年前就提出要开展这一工作，但进展一直缓慢。作为林纸一体化的最早倡导者之一，李忠正教授认为，最近几年，在国家发改委等部门的大力推动下，旨在打破过去林纸分离的传统管理模式、鼓励造纸企业营造造纸林基地的林纸一体化推进速度明显加快，今年国务院还批准实施了《全国林纸一体化工程建设“十五”及2010年专项规划》，这对造纸业从传统到现代的跃升“非常关键。
当心吃掉森林
过去，我总以为中国人口众多，地大物博，可是自从看了《中国资源》这本书，使我感到自己的认识是多么可笑，事实上中国资源并不丰富，而且人均资源占有量很少，就说森林资源吧，看到《中国资源》这本书提供的数据吧： 1989--1993 年，我国林木年均净生长量 4.19 亿立方米，年均消耗量 3.2 亿立方米， 1993 年森林覆盖率 13.92% ，远远低于世界平均水平 27% ，居世界第 111 位，人均森林面积 0.12 公顷，人均森林蓄积量 10.39 立方米，分别为世界平均水平的 11.7% 和 12.6% 。
看到这样可怜的数字，真叫人惊呆了，我们再也没有理由不去珍惜森林资源了。我们已经遭到报复了，在 98 年，我国长江流域遇上百年不遇的特大洪灾，也主要是因为过度砍伐长江上游森林所遭到的报复，今年春季内蒙古、北京等地方发生沙尘暴天气，主要原因是当地植被稀少，土质干枯、松散，遇到大风就产生了沙暴。严重影响当地人民的生活。以上事例都说明了大自然已向我们发出极其严重的警告！我们该清醒了，我们必须保护森林，必须加快植树造林，防沙固沙。
过去，我总以为我们毕竟没有做过破坏森林的行为，看了这本书，联想到我们几乎每天使用一次性木筷，再联想全国近乎 13 亿人口，如果每人一天使用一次，要材消耗量是多少啊！我国森林资源能维持多久？这个问题真是令人深思。
正如 100多年前，恩格斯对当时不顾后果，破坏森林的行为的那样：“不要过分陶醉于我们自然界的胜利。对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。各地居民为了得到耕地，把森林砍光，但是做梦也想不到这些地方竟因此成为不毛之地，因为他使这些地方失去了贮存水分的中心。”正是因为失去了森林的保护，黄河上游才出现了土质沙松，水土流失严重，泥沙淤积，黄河断流时间逐年延长，致使两岸农业、工业用水缺乏，甚至出现许多工厂因缺水被迫停产的悲剧命运。因此我人一定要保护森林资源、珍惜森林资源，再不能让长江变成第二条“黄河”了。
所以我们要向全社会人呼吁：森林是人类的朋友，人类生存离不开森林，全民应该植树造林，保护森林资源，珍惜森林资源。禁止使用一次性要筷，人人有责，要从我做起，共同保护我们绿色的家园。
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