废物资源化研究理论与方法已大大超越了传统地质与矿业科学、环境科学与工程的范畴，而是基于地质学、矿物加工、化学、生物学、物理学、材料科学、环境科学等学科相互交叉与渗透，废物资源化中的诸多理论与方法却与矿物学、岩石学、地球化学有紧密的联系，势必进一步拓宽传统资源、矿业、材料、环境的研究视野和空间，推动新的研究领域和交叉学科发展。作为一门新兴的不断交叉融合的综合性学科，固体废物资源循环还涉及农学、系统工程学和资源经济学等。这些关联学科为固体废物资源循环利用的技术创新和工业化应用提供有力的理论基础。

　　但从应用研究的角度看，固体废物资源循环利用的出路和归宿是在满足环境绿色安全的前提条件下，尽可能把固体废物转化开发为矿物资源和直接使用的各类材料。因此，在固体废物资源循环利用的过程中必然会运用和产生与环境－矿物－材料等相关领域的边缘和交叉学科，如生态环境矿物材料。固体废物的原料、组织结构、性质、产生／制备、使用效能和理论及工艺设计，即固体废物研究内容“六要素”，若要实现“矿物原料”为中心的转化目标，即“矿物原料”的目标要求对其他５个内容要素就有重要影响；上述“六要素”调控也可实现固体废物转化为“矿物材料”的中心目标，这时其中的“制备、理论及工艺设计”要素更能体现这个过程特点。要克服固体废物难利用、高成本的不足，就要瞄准开发功能矿物材料（包括环境矿物材料、光功能矿物材料、电功能矿物材料、声功能矿物材料、生物医用矿物材料）、结构矿物材料（包括矿物聚合材料、矿物摩擦材料、矿物复合材料）和纳米矿物材料，特别是纳米科技的引入与应用在固体废物综合利用上已展现出非常诱人的前景。另外，大量非金属类的固体废物需开发要为新型领域和特种环境应用延伸，如高效吸附极低浓度ＳＯ２、ＣＯｘ、ＮＯｘ材料，精纯材料（像多晶硅），太空舱转型分子筛，航天航空深海特种矿物材料等。

　　４、固体废物资源循环利用面临的关键科学与技术问题

　　我国正面临资源、能源和环境空前严峻的“瓶颈”制约，固体废物资源循环利用在科学技术、管理水平以及市场化等方面还存在不少难题有待解决。

　　４．１主要科学问题

　　原生天然矿物资源均赋存于矿石中，它们都是金属或非金属，如Ｍ（Ｆｅ，Ｃｕ，Ｐｂ，Ｚｎ…）与Ｓ、Ｏ的结合物，少量元素单质及其化合物，资源加工是揭示Ｍ、Ｏ、Ｓ中成分、结构、性能和应用的关键，重点研究其化合、分解行为，赋存、分布特征，形成、稳定、溶解、迁移、沉淀规律；开发重点是Ｍ—Ｓ，Ｍ—Ｏ分离的技术、工艺和装备。与一次原生固体资源的开发利用相类似，固体废物资源的循环利用同样涉及地质、选矿、冶金、化工等多元复杂过程，但与之不同的是，固体废物资源具有其很多特殊性，使传统的方法在“非传统”固废资源面前力不从心，主要是由于二次资源来源的不确定性、化学组分高度复杂和多样性、组元含量的高波动性、赋存体的高致密性和复合性等。另外，从二次资源中分离、提取金属较为复杂和困难；二次资源的破碎、磨碎、分离等预处理与矿石大不相同；资源循环要求金属或非金属性能稳定而不快速下降；二次资源的处理对环保的要求十分严格；二次资源的处理工艺技术要有较大的弹性；二次资源的处理需要较为完整的产业链和多学科的联合；实现资源循环要求产品制造随之变革等大量难题，导致二次资源难于利用。因此应该从固体废物资源的特性方面入手，进行固体废物资源循环利用矿物学研究，为开发技术先进、经济合理的资源循环利用工艺提供理论依据。固体废物资源循环利用过程中，为了避免产生二次污染，实现清洁综合回收并有经济性，要解决的关键问题主要有：（１）如何将一次原生固体资源开发利用相关理论和科学技术及装备应用到固体废物资源循环利用中去，并有经济效益。（２）重要二次资源的基本物化性质数据库的深化与细化，如熔点、密度、溶解度、蒸气压、解离度、导电率、导热系数，表面能、活化能、稳定性等。（３）重要二次资源成分指标细化分类与标准；复合力场作用下的多元多相复杂体系的金属与非金属物质的分离规律；固废颗粒在选别力场中的受力情况、运动形态及分选机理；固废颗粒表面化学性质与药剂的作用机理；在预处理（分类、磨碎、选别等）过程中的各种物理化学性质与分选的细化指标。（４）重要二次资源在物理或化学过程中（如焙烧或熔炼）的反应热力学与动力学；重要二次资源在浸出—物理和化学分离—沉淀、结晶或电解、电积过程中的反应热力学与动力学；有毒、有害组分无害化转化机制与非金属元素的高效利用方法；多金属固体废物资源中金属元素选择性溶出过程动力学机理、新型化学萃取剂资源化应用。（５）二次资源形成产品的性能、标准与质量控制；有毒、有害组分的迁移行为、二次污染的预防方法基础研究。（６）二次资源需要的精测方法手段，微量、痕量、在线多量程、多组分高精度与高灵敏的化学与仪器分析，如火花－化学分析法、便携式光谱分析仪、光辐射分光（ＯＥＳ）分析法、激光诱导分离光谱，等等。（７）二次资源全过程加工制备需要的在线、全参数、高度集成的自动控制。（８）二次资源循环利用的节能减排新工艺、新设备。

　　４．２主要技术问题

　　近年来，固体废物资源循环利用方面取得了显著的技术进步，例如废旧塑料改性技术、餐厨垃圾无害化资源化技术、复合包装分离技术、再制造技术、复合新材料、废旧线路板处理技术等都已成功应用。

　　但由于固体废物资源的来源广、组分复杂等不确定性，循环利用技术方面还有很多瓶颈问题需要解决：

　　（１）固体废物资源目标产物定位预处理技术与装备；（２）固体废物资源多金属复合体系（多金属硫化矿、各种盐类矿物）分离调控技术与装备，如光电分离技术，气动分级－磁选－涡流分选技术，重介质分选技术（涡流分选技术和静电分选技术从塑料中选出金属，再用重介质选矿法回收金属）；（３）固体废物资源多元复杂体系直接材料化的可控制备技术与装备；（４）低品位矿和尾矿资源绿色开采技术与装备；（５）复杂难处理多金属矿高效清洁利用技术与装备；（６）多金属矿伴生元素的综合回收技术与装备；（７）硫化矿、氧化矿高效生物冶金技术与装备，微生物处理难利用资源关键技术与装备；（８）重金属冶炼渣与中间物料综合清洁利用技术与装备；（９）特色固废资源短流程高效回收与循环利用技术与装备；（１０）非常规各类资源特色综合利用技术与装备；（１１）非金属矿产资源高端转化利用技术与装备；（１２）有色金属资源清洁生产技术与装备；（１３）固体废物资源循环利用的综合环境污染控制技术与装备；（１４）各种共伴生金属（如稀土）、非金属矿（如磷矿）的综合开发利用和零排放技术与装备；（１５）各种难处理矿石（如金银矿）选冶技术，各种难处理煤炭的洗选及水煤浆技术；（１６）湿法冶金技术，新材料和产品的湿法制备、共伴生难处理资源湿法冶金清洁新工艺；（１７）行业性固体废物资源资源化、减量化技术与装备，如共伴生矿与尾矿高效开发、燃煤电厂、煤矸石与矿井水、废弃电子电器产品、农林剩余物先进适用技术与装备，污泥减量化、资源化利用技术，等等。

　　５、典型固体废物资源循环利用的矿物学方法

　　固体废物资源循环利用矿物学实质是利用传统的矿物学理论解决固体废物处理和资源化问题。例如：利用类质同象原理实现铀、钍、锶等放射性核素的晶格固化；通过酸碱化学处理和热、电磁、微波等物理手段对矿物活性进行改变，实现固体废物中矿物选择性溶解；利用矿物相图，以石棉为例，指导石棉转变为非石棉的加工条件，可以很方便找到石棉熔点（烧结掉），或找到石棉活化点（反应掉）；又如黄磷渣随着温度的结晶相图，可以生成晶质硅酸钙、变针硅钙石、环硅灰石，以此产物相图调控物相和产品类型。本节主要讨论低品位矿与尾矿综合利用、工业废渣资源化利用、电子废物资源化利用、建筑垃圾资源化利用中的矿物学方法。

　　生物冶金技术是降低边界品位，扩大可利用资源总量的重要途径。微生物浸出技术可以经济合理地开发难利用资源，如共伴生矿、低品位矿、难选冶资源（难采矿体、难选矿石和废石）、二次矿山资源（矿山废弃物，如尾矿、矿山废水等）和再生资源等，已在低品位次生硫化铜矿、镍钴矿、难处理金矿、铀矿、锰尾矿等资源开发中应用成功。微生物浸矿的基本原理是通过微生物作用将矿物中有用元素选择性转移入溶液中，其共性难题是在各类硫化矿、氧化矿中浸取价值元素，如何提高微生物浸矿速率；对“原料”如何合理选取物理或化学预处理，以引导矿物相的有利转变；从微生物－矿物复合体出发深度揭示其浸矿机理。

　　２０１１年我国排放居前十位的固体废物依次为尾矿、建筑废物、农作物秸秆、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣、工业生物质废物、工业副产石膏、生活垃圾、赤泥；应用较好的前十位固体废物，部分可能利用起来的固体废物为废旧纺织品、建筑废物、赤泥、工业生物质废物。

　　５．１尾矿资源循环利用

　　５．１．１尾矿现状与矿物学特性

　　我国开采出来的矿石８０％以上都变成了尾矿，累积堆存１２０亿ｔ以上，其中以铁尾矿居首，其次是铜尾矿、黄金尾矿以及有色和稀贵金属尾矿。２０１２年全国利用尾矿总量约为２．３亿ｔ，综合利用率为１７％，全国尾矿综合利用产值超过５００亿元。从尾矿中回收有价组分约占尾矿利用总量的３％，资源回收量达８００万ｔ，生产建筑材料约占尾矿利用总量的４３％，充填矿山采空区约占尾矿利用总量的５３％。全国３５％的黄金、９０％的银、１００％的铂族元素、７５％的硫铁矿和５０％以上的钒、碲、镓、铟、锗等稀有金属均来自综合利用。据测算，对现堆存尾矿中的有价元素进行回收，可回收２．１亿ｔ铁、３００ｔ黄金、２００万ｔ铜，以及大量的钛等稀有金属，可创造数万亿元的产值。

　　尾矿是复杂多相的人工混杂堆积物。尾矿矿物学研究尾矿体中发生的复杂变化和产生环境危害的根源，所含矿物在特定尾矿条件下发生长期的水－气－矿物反应的结果与变化趋势。温度、湿度、ｐＨ值、Ｅｈ值、水和生物作用常导致原生矿物分解、转变、新矿物形成。了解尾矿在表生条件下矿物发生的氧化反应、中和作用、吸附作用、离子交换作用控制其排水酸碱度、重金属释放和长期风化作用的过程，可以帮助人们有效进行矿山废物处理和管理。

　　尾矿矿物学应从资源化、综合利用和生产高附加值材料出发，针对在矿产开采、选矿及加工过程中产生的危害环境的各种尾矿（如脉石、尾渣等），研究尾矿的化学成分、矿物组成与物化特性；研究尾矿各物质与组分的综合利用途径和评价指标；研究大量使用和消耗尾矿的基础科学问题、工艺原理；研究低成本、低能耗、无污染、低尾排放、生产高附加值产品的途径与技术。

　　５．１．２尾矿循环利用实例

　　蛇纹石尾矿综合利用：蛇纹石尾矿作为低品位镍钴资源，在我国储藏量丰富。青海某地蛇纹石尾矿化学分析结果（质量分数）为：ＭｇＯ２４．８７％，ＳｉＯ２５３．６５％，Ｆｅ２Ｏ３１２．８４％，ＣａＯ１．６６％，Ｃｏ０．０５％，Ｎｉ０．３４％，Ａｌ２Ｏ３３．１４％，ＭｎＯ０．２８％，其含镍钴较高，具有回收特殊战略物资镍钴的价值。本课题组选取异养菌黑曲霉菌对蛇纹石尾矿中钴、镍的浸出进行了大量的研究工作，在实验条件下，钴浸出量达到１５６μｇ／Ｌ；镍浸出量达到２８５μｇ／Ｌ。

　　蛇纹石尾矿在分选时已遭破碎，具有良好的化学活性。本课题组利用蛇纹石富含ＳｉＯ２、ＭｇＯ矿物成分的特性，采用蒸氨－碳化闭路工艺，可制备纳米ＳｉＯ２和ＭｇＯ。通过控制氨和ＣＯ２的配比、反应温度、晶种和助剂、反应器等沉淀反应的条件，制备碱式碳酸镁前驱体、三水碳酸镁、碱式碳酸镁产品和氢氧化镁产品。碱式碳酸镁在不同温度条件下煅烧得到活性氧化镁和结晶氧化镁。

　　蛇纹石尾矿还可以固定ＣＯ２：Ｍｇ３Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４＋３ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ→３ＭｇＣＯ３＋２ＳｉＯ２＋４Ｈ２Ｏ；其中，ΔｒＧθｍ（２９８．１５Ｋ）＝－６．２２ｋＪ·ｍｏｌ＜０，表明反应在常温常压下可以进行，但反应速率十分缓慢，为提高反应速率，一般采取改变温度或压力的方法。

　　国内正在开发强力流态化床反应器加快固定ＣＯ２转化过程和效率，实现以废固废的目标。