淺談膨潤土的改性工藝與開發(fā)利用

王志恒　李志朋　王偉鵬

摘 要 勘探研究表明，我國膨潤土的儲量世界第一位，種類齊全，分布廣，遍布26個(gè)省市，產(chǎn)量和出口均居世界前列。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國膨潤土年產(chǎn)量已超過350萬噸，而總儲量占世界總量的60%。到目前為止已累計(jì)探明儲量50.87億噸以上，保有儲量大于70億噸。但是，在利用方面卻總始終保留在低端水平。本文就膨潤土的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和加工工藝展開論述，簡單剖析了膨潤土未來的高價(jià)值利用方面。希望將來對膨潤土利用更加全面，附加值更高，充分體現(xiàn)它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。

關(guān)鍵詞 膨潤土結(jié)構(gòu) 性質(zhì) 改性 開發(fā)利用

中圖分類號：TU5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1膨潤土結(jié)構(gòu)

膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的粘土礦，膨潤土一般呈白色、灰色、粉紅色、黃色、褐黑等多種顏色；具油脂光澤、蠟狀光澤；斷口為貝殼狀或鋸齒狀；其形態(tài)常呈土狀隱晶質(zhì)塊體，有時(shí)呈細(xì)小鱗片狀、球粒狀；硬度 2～2.5；密度 2～2.7g/cm3；性軟有滑感，吸水膨脹，最大吸水量可為其體積的 8～15 倍。常含少量的伊利石、高嶺石、沸石、長石和方解石等礦物。蒙脫石的化學(xué)式為Al2O3 4SiO2 3H2O。其主要化學(xué)成分為SiO2 、Al2O3 、FeO、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、TiO2等。其結(jié)構(gòu)為硅氧四面體片中間夾一層鋁氧八面體片的 2：1 型結(jié)構(gòu)，它們共同組成晶層。晶層在 a、b 二維方面延伸呈層狀，在 c 方向平行堆積形成晶體，晶層之間有空隙。如下圖所示：

2膨潤土主要性質(zhì)

2.1吸附性

吸附是所有固體物質(zhì)存在的自然現(xiàn)象。我們將某些分子聚集在膨潤土表面的現(xiàn)象，稱為膨潤土的吸附作用。膨潤土吸附可以分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附三種類型。（1）物理吸附。物理吸附是靠吸附劑與吸附質(zhì)之間分子間引力產(chǎn)生的，即我們常說的范德華力產(chǎn)生的。物理吸附是一種可逆的吸附過程，吸附速度與脫附速度在一定條件下呈動(dòng)態(tài)平衡。（2）化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附是靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的化學(xué)鍵力而產(chǎn)生的，化學(xué)吸附作用一般不可逆。在鉆井泥漿中應(yīng)用化學(xué)處理劑就是化學(xué)吸附作用的典型例子。這種化學(xué)吸附作用明顯比物理吸附作用要穩(wěn)定。（3）離子交換吸附。膨潤土礦物晶體一般帶負(fù)電荷，因此在膨潤土顆粒表面要吸附等當(dāng)量的相反電荷的陽離子。吸附的陽離子可以和溶液中的陽離子發(fā)生交換作用，這種作用稱為離子交換吸附。

2.2膨脹性

膨潤土遇水就膨脹，這種自然現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是膨潤土礦物晶層間距加大，水分子進(jìn)入了礦物的晶層，另外引起膨潤土膨脹的原因還有膨潤土礦物的陽離子交換作用。膨脹性與膨潤土的屬性和蒙脫石含量關(guān)系極大，鈉質(zhì)膨潤土的膨脹性明顯比鈣質(zhì)膨潤土要強(qiáng)，另外純度較高、蒙脫石含量高的膨潤土的膨脹性要強(qiáng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果我們主要想利用膨潤土礦物的膨脹性，那么我們在考慮膨潤土礦物的種類時(shí)首先要選擇鈉質(zhì)膨潤土礦，其次要考慮蒙脫石含量高的鈉質(zhì)膨潤土。在機(jī)械鑄造和鐵礦球團(tuán)工作中，對膨脹性要求較高。大量的鈣質(zhì)膨潤土質(zhì)，達(dá)不到使用要求，因此在使用前需要對鈣質(zhì)膨潤土進(jìn)行改性處理。

2.3膨潤土及其加工產(chǎn)品的工藝性能

膨潤土及其加工產(chǎn)品還有許多優(yōu)良的工藝性能，如分散懸浮性、觸變性、流變性、膨潤性、可塑性、黏結(jié)性、陽離子交換性等眾多性能。正是由于膨潤土有這么多良好的物理化學(xué)性能使它素有“萬能”粘土之稱。

3膨潤土改性

3.1膨潤土鈉化

膨潤土的性能是由蒙脫石的性能所決定的。蒙脫石屬于 2：1 型層狀硅酸鹽，其晶體結(jié)構(gòu)是外面兩層硅氧四面體及中間夾一層鋁氧八面體。在八面體和四面體內(nèi)可發(fā)生同晶體置換，其四面體和八面體中的 Si4+和 Al3+能被其他的低價(jià)陽離子置換，使蒙脫石單位晶胞帶負(fù)電荷，而成為一個(gè)大的帶負(fù)電的離子，具有吸附某些陽離子的能力，這些陽離子與晶體的結(jié)合不牢固，易被其他離子置換，這種離子交換主要在晶格之間進(jìn)行。因此，如果加入一些鈉鹽，在鈣基膨潤土中迫使 Na+去置換Ca2+和 Mg2+，并達(dá)到飽和狀態(tài)，就使鈣蒙脫石轉(zhuǎn)化為鈉蒙脫石，其反應(yīng)式為

Ca-Bent+2Na+=Na2-Bent+Ca2+

3.2膨潤土有機(jī)化

有機(jī)改性膨潤土工藝主要分為濕法、干法、預(yù)凝膠法及其他方法。其中，以濕法、干法較為常見。

3.2.1濕法

濕法分散蒙脫石，提純、改型，用長碳鏈有機(jī)陽離子取代蒙脫石層間金屬離子，使層間距擴(kuò)大至17～30埃，形成疏水有機(jī)膨潤土，再經(jīng)脫水、干燥、研磨成粉狀產(chǎn)品，工藝流程見下圖。

3.2.2干法

干法是將含水的精選鈉基膨潤土與有機(jī)季錢鹽直接混合，用專門的加熱混合器混合均勻，再加以擠壓，制成含一定量水分的有機(jī)膨潤土，也可以進(jìn)一步干燥、研磨成粉狀產(chǎn)品；或?qū)⒑欢ㄋ值挠袡C(jī)膨潤土直接分散于有機(jī)溶劑中（如柴油），制成凝膠或乳膠體產(chǎn)品， 工藝流程見圖。

4結(jié)語

膨潤土的開發(fā)利用。膨潤土應(yīng)用于鑄造工業(yè)主要應(yīng)用于黏土粘結(jié)砂中作造型材料生產(chǎn)鑄件和球團(tuán)粘結(jié)劑；膨潤土因其具有強(qiáng)烈的吸水性可用作磚井泥漿；膨潤土還可以制作干燥劑、貓砂（顆粒膨潤土出口量大）；膨潤土因其具有吸附性可以作為渾濁水的清潔劑，被污染水的防水劑、污染水的凈化劑等，在環(huán)境保護(hù)方面有重要意義！

參考文獻(xiàn)

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