凹凸棒石的分类及性能特点

凹凸棒石,又称坡缕石,是一种含水富镁铝的硅酸盐黏土矿物,具有2:1型链层状结构,属于海泡石族,是我国特色非金属矿产资源。
1、凹凸棒石的分类
沉积成因的凹凸棒石有两种形成方式:

一是凹凸棒石从富镁硅铝弱碱性水溶液中直接结晶形成;

二是蒙脱石与富镁孔隙液的反应,镁离子进入蒙脱石结构,逐步从层状结构硅酸盐转变为链层状结构硅酸盐。

依据与凹凸棒石共生的主要矿物不同,把凹凸棒石黏土矿石划分为4类:
(1)高品质凹凸棒石
凹凸棒石含量大于85%,主要杂质为微米级碎屑石英、长石,以及少量自生蛋白石和白云石。
(2)蛋白石凹凸棒石
主要矿物组分是凹凸棒石和蛋白石,蛋白石含量大于35%,主要杂质为自生白云石和蒙脱石。
(3)白云石凹凸棒石
富含白云石、凹凸棒石,含有少量的蛋白石,白云石含量大于35%。白云石微米-亚微米粒径,具有纳米孔结构特征,凹凸棒石与白云石镶嵌共生。
(4)蒙脱石凹凸棒石
主要矿物是凹凸棒石、蒙脱石,凹凸棒石+蒙脱石含量大于85%,结构特征是矿物转化形成凹凸棒石蒙脱石复合体,具有较强的吸水膨胀性。
不同类型的凹凸棒石黏土,其矿物组成、化学组成以及黏土的物理化学性质在矿体横向和纵向上都有很大变化,其加工利用必须按照矿石类型分层开采、分别加工处理和利用,这样既可实现优质矿石优先利用于高附加值产品,避免资源的浪费,又可实现资源的综合利用。
2、凹凸棒石的性能特点
由于凹凸棒石特殊的晶体结构和性质,使之具有特殊的应用性能,例如胶体性能、吸附性能、补强性能和载体性能等。
(1)结构特点
凹凸棒石属于纳米棒状晶体,沉积型凹凸棒石单个晶体直径约30-50nm,属于纳米矿物资源。凹凸棒石具有发育的蜂窝状晶体内孔孔道,孔道直径为0.38nm×0.63nm,理论计算纯凹凸棒石晶体外部比表面积为300m2/g,晶体内部孔道的比表面积为600m2/g。
(2)吸附性能
吸附性能是凹凸棒石最重要的特性之一,但是一直以来对凹凸棒石吸附本质认识有很大的误区。
凹凸棒石晶体结构内孔孔道选择性吸附水蒸汽、氨气等极性水分子,具有分子筛的特性。其选择性吸附水和氨一方面是由于这两种分子直径小可以进入凹凸棒石晶体孔道,另一方面是这两种分子都属于极性分子,孔道内的结晶水形成氢键结合。
由于凹凸棒石孔道较小,除了水、氨气等极性小分子外,很多分子、离子,尤其是有机污染物都难以进入凹凸棒石晶体孔道。因此,包括油脂脱色、糖液中色素净化、水中有机污染物净化、重金属离子的吸附等应用中,都是凹凸棒石晶体外表面吸附发挥了重要作用,是凹凸棒石纳米矿物特性即纳米效应的体现。
(3)胶体性质
胶体性质是凹凸棒石另外一个重要的性质。由于凹凸棒石晶体结构硅氧四面体位置铝替代硅的量很少,八面体片中既有2价离子(Mg),又有3价离子(Al、Fe),属于二八面体型和三八面体型之间的过渡类型,可以通过八面体片中的离子空位平衡电荷。因此,凹凸棒石晶体结构电荷很低,具有较低的离子交换容量,这与蒙皂石族矿物有巨大的差别,这是凹凸棒石黏土泥浆具有蒙皂石泥浆无法比拟的抗盐性质的本质。
高度分散的纳米棒状凹凸棒石晶体在水悬浮液中静置状态下构成端-面接触、晶体交织的胶体体系,提高悬浮液黏度;在搅动剪切力作用下打破端-面接触、改变交织状态,降低悬浮体系黏度。
凹凸棒石棒状晶体排列方式受温度、盐度影响较小,这是凹凸棒石在水悬浮体系中具有增稠触变的本质原因。凹凸棒石胶体性能的认识为凹凸棒石在增稠触变胶体体系的应用奠定了理论基础。
(4)表面基团及其反应活性
根据理论计算和电位滴定实验测定,凹凸棒石等电点pH值大约4.5-5.0,通常地表环境的中性水溶液中凹凸棒石表现为带负电荷。
凹凸棒石具有较高的表面积,表面沟槽和表面断键在水中水化形成丰富的表面基团,包括Si-OH、Mg-OH、Al-OH、Fe-OH;Si-O-、Mg-O-、Al-O-、Fe-O-、Si-OH2+、Mg-OH2+、Al-OH2+、Fe-OH2+。这些表面基团与水中的各类离子、有机物发生广泛复杂的界面作用。
认识凹凸棒石表面基团及其反应活性对理解凹凸棒石表面吸附、表面酸碱性质至关重要,指导凹凸棒石表面改性、纳米复合材料开发研究。
来源:谢晶晶,陈天虎,刘海波,等.苏皖地区凹凸棒石黏土的特征和应用发展方向[J].硅酸盐学报, 2018,46(5): 746-753.



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