凹凸棒石

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凹凸棒石(Attapulgite)

又名坡缕石或坡缕缟石(Palygorskite),是指以凹凸棒石(attapulgite )为主要组分的一种粘土矿物。

凹凸棒石在矿物学分类上隶属于海泡石族,为一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物,1862年俄国学者隆夫钦科夫最早于乌拉尔矿区的热液蚀变产物中发现了这一矿物并将其命名为坡缕石(Palygorskite)。法国学者拉巴朗特(J.D.Laporent)于1935年又在美国佐治亚州凹凸堡(Attapulays)和法国莫摩隆(Mormoriron)沉积岩层中发现了此种矿物,并命名为凹凸棒石(Attapulgite)。

习惯上人们将沉积成因的呈土状者称为凹凸棒石,将热液成因的呈绒状、纤维状的称作坡缕石。

具有独特的层链状结构特征,在其结构中存在晶格置换,故晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+,晶体呈针状,纤维状或纤维集合状。凹凸棒石具有独特的分散、耐高温、抗盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力。并具有一定的可塑性及粘结力,Bradley(1942)提出了凹凸棒石理想晶体化学式:

Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4.4H2O。

凹凸棒石具有介于链状结构和层状结构之间的中间结构。凹凸棒石呈土状、致密块状产于沉积岩和风化壳中,颜色呈白色,灰白色,青灰色,灰绿色或弱丝绢光泽。土质细腻,有油脂滑感,质轻、性脆,断口呈贝壳状或参差状,吸水性强。湿时具粘性和可塑性,干燥后收缩小,不大显裂纹,水浸泡崩散。悬浮液遇电介质不絮凝沉淀 。

凹凸棒石的用途有两千种以上,主要用于石油钻井抗盐、抗高温的泥浆原料。

凹凸棒土素有千土之王的称号,在工业和其它多种行业上具有特种用途。

1860年,俄罗斯学者萨夫钦科夫(Tsavtchenkov)最早在乌拉尔坡缕缟斯克(Palygorsk)矿区的热液蚀变带中发现了该矿物,外貌像马粪,1862年其据产地命名;1913年费尔斯曼(A E.Fersman)将该矿物正式命名为Palygorskite 。Palygorskite ,中译名为坡缕缟石、坡缕石。1935年,法国学者拉帕伦特(J .D. Lapparent)在美国奥特堡(Attapulgus)、佐治亚(Georgia)、昆斯(Quincy)、佛罗里达(Florida)和法国莫尔摩隆(Mormoiron)的沉积岩中发现该矿物,并命名为Attapulgite。1976年中国学者许冀泉等在中国江苏省六合县竹镇小盘山发现该矿,许冀泉根据奥特堡之音同时兼顾该矿的晶体结构特征,译成“凹凸棒石”,近年来在国内传用;1982年江苏盱眙县雍小山等发现凹凸棒石粘土矿,经江苏地勘部门勘查评价,为大型矿床规模;1984年在南京地质矿产研究所帮助下安徽嘉山县明光一带也找到了凹凸棒石粘土,之后相继在全国14个省区发现凹凸棒石粘土矿床(点)。1982年,世界粘土矿物命名委员会认为,坡缕缟石(Palygorskite)与凹凸棒石(Attapulgite)两者晶体结构一致、化学成分相同,应属同一矿物种;按照命名优先原则,规定统一命名为坡缕缟石。尽管如此,这两种名称在文献和演讲中,同时见及,广为流传。其实,有关该矿物名称还有许多,如镁山软木,山软木、山柔皮(Mountain Leather ) ,山皮(Mountain Shin),山石棉、石棉(Mountain Cork),山石棉状聚集物(Mountain–Cork–like accumulations),绿坡缕缟石,打白石,漂白土(Fuller ‘s Earth),活性蛋白、蛋白石、白土(White Earth),马雅蓝(Maya Blue,系与蓝靛混合制成著名“马亚蓝”染料)等。据统计,该矿物名称使用几率最多的依次为:坡缕缟石、凹凸棒石、漂白土或白土。

凹凸棒石矿物几乎遍及世界各地,但具有工业意义的矿床所占比例不大,仅限于美国、中国、西班牙、法国、土耳其、塞内加尔、南非、澳大利亚、巴西、以色列、沙特阿拉伯、瑞士、英国 、俄罗斯(Irkutsk ,伊尔库茨克)、吉尔吉斯斯坦、哈萨克斯坦、乌克兰、亚美尼亚、阿塞拜疆、白俄罗斯、尼日尔等国,据不完全统计,世界探明储量约1.5亿吨。

凹凸棒石又名坡缕石或坡缕缟石,是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。其理想分子式为:(Mg,Al,Fe)5Si8O20(HO)2(OH2)4?4H2O,理论化学成分为:SiO256.96%;(Mg,Al,Fe)O 23.83%;H2O 19.21%。

凹凸棒石粘土(别称凹土、漂白土、白土、山软木等)具有特殊的纤维结构、不同寻常的胶体和吸附性能,具有广泛的应用领域,有“千土之王”、“万用之土”等美誉。

凹凸棒石(坡缕缟石)的不同的变种、理想结构式、晶体结构和晶体结构模型的物化性能有差异,应用也不完全相同,因此,要具体研究。

盱眙地区的品位为高、储量为大,该地区优质凹凸棒石粘土已探明储量在6700万吨以上,有用粘土总量达5亿吨。

凹凸棒石粘土是指以凹凸棒石为主要组成部分的一种粘土矿,其集合体为土状块体构造,颜色为灰白色、青灰、微黄或浅绿,油脂光泽,比重轻(2.0~2.3g/cm3),摩氏硬度2-3级,潮湿时呈粘性和可塑性,干燥收缩小,且不产生龟裂,吸水性强,可达到150%以上,PH=8.5±1,由于内部多孔道,比表面大,可达500m2/g以上,大部份的阳离子、水分子和一定大小的有机分子均可直接被吸附进孔道中,电化学性能稳定,不易被电解质所絮凝,在高温和盐水中稳定性良好。

目前,反映凹凸棒石的物化性能主要有以下指标,并与蒙脱石略作比较如下:

1、吸蓝量:凹凸棒石粘土的吸蓝量,一般低于蒙脱石,为24g /100g ±。

2、胶质价:凹凸棒石的胶质价低于蒙脱石,一般为40~50ml /15g。

3、膨胀容:凹凸棒石粘土的膨胀容低于蒙脱石粘土,一般为4~6ml /g .

4、pH值: 凹凸棒石粘土呈碱性, pH值为8~9。

5、比表面积:凹土比表面积很高,大于其他粘土矿物,通常为146~210m2 /g(BET法)。

6、阳离子交换容量(CEC):凹凸棒石粘土的阳离子交换容量比蒙脱石低。凹凸棒石粘土可交换Ca 离子为15~25mmol /100g ,可交换Mg 离子为5~15mmol/100g 。

7、吸附脱色性:凹土不同品位(%)的脱色力有差异,如:30%,45~50;70%,55~100;75%,110~115 ;85%,120~130。表明凹土含量在 75~85%时,脱色力可达到或超过活性白土(蒙脱石)脱色力(114)标准。

8、选择性吸附:为蒙脱石所没有。极性分子主要是水和氨,其次是甲醇乙醇,都能被其管道吸附,而氧等非极性分子则不能。其吸附能力依次为:水>醇>醛>酮>正烯>中性脂>芳烃>环烷烃>烷烃。吸附能力高低取决于比表面积大小,而吸附选择性则与矿物结构、通道尺寸、形状等有关。凹凸棒石对水的吸附在200~400°C焙烧后达到最大值(比表面积大),超过400°C则吸附量减少。在不同温度下凹凸棒石脱水量也有差异,如下表1。

9、催化性:凹土具有表面活性中心,除吸附外,还有催化作用。凹土可用作乙醇转化为乙烯的催化剂(Dandy ,1982),也可作为催化剂载体。

10、粘滞性:是指流体内部假想平面两侧流体相对流动性质,用粘度表示。表示胶粘剂性能的一项指标,不同用途有不同要求。标准值:3300~4500;单位:cP s ,

11、吸水性:凹土有很强吸水性,一般为24.3%,较蒙脱石(20.2%)高,加之热稳定性,适于配制深钻井泥浆;由其配制的悬浮体经搅拌后,纤维相互交叉、淀积,形成“乱稻草堆状”网架结构,是其保持悬浮体稳定的决定因素,即悬浮体的流变特征取决于纤维结构的机械参数而不取决于颗粒的静电引力;它又有良好抗盐稳定性,用其配制钻井泥浆用于海洋钻井和钻高压盐水层有很好的悬浮性能。

12、灭菌、除臭、去毒、杀虫性:凹土具很强灭菌、除臭、去毒、杀虫能力。如用于腹泻,是用其吸附肠胃中的毒菌;40g /m 3凹土能使气体中的NH 3由100×10-9降低到18×10-9;凹土细小针状颗粒对昆虫表面磨蚀及对昆虫类脂化合物吸附,导致昆虫快速死亡,以及军工用于防护装置吸附毒气,吸除动、植物油色素、黄曲霉素及臭味等。

脱色及水处理:加工后的凹凸棒石粘土制品是较为理想的吸附剂、食品加工助剂和食品添加剂,可取代活性炭。它不仅能脱色,还可除臭除味,除重金属离子和致癌物质,还具有一定的选择性,这就为生产提供了便利,它可作冰箱除臭剂、污水处理剂、家用净水器、油脂精炼脱色剂,效果极为明显,在医药上可作药物的填料、载体、添加剂、粘结剂。使用凹凸棒石粘土对液体葡萄糖脱色可将由粉末活性炭净化的十二道工序减少到十道工序,工艺周期缩短50分钟,对发展生产十分有利。用凹凸棒石粘土净化的成品糖,其色泽、体态、浓度、还原糖含量、PH值、二氧化硫离子含量、氯根含量、蛋白质含量、熬糖温度以及钙镁离子含量等均达到现行行业标准,节约脱色处理费用60%左右,脱色后的滤饼可作混合饲料,减少了环境污染,达到综合利用。

无论是在吸附过程中,还是在污水处理中,凹凸棒石粘土都可以再生,它耗能少,对环境保护非常有利。凹凸棒石粘土选择吸附能力大小的次序为:水>醇>酸>醛>正烯烃>中性脂>芳香烃>环烷烃>烷烃、直链烃>环烷烃>烷烃,直链烃比支链烃吸附得快,吸附选择性对油脂的脱色有重要的作用。在其它分离过程中也有较大的工业价值。

水净化的常规方法是经过絮凝、沉淀、过滤和化学处理,一般能有效地除去大多数污物和杀死大多数微生物,然而不能很有效地除去诸如激素、农药、病毒毒素和重金属离子等类物质。这些有害物质仍留在水源中,给人造成危害。而凹凸棒石粘土可用接触或过滤技术处理水,可以消除这些有害物质。若使吸附污染物的凹土再生,可加热或以化学剂加以处理。因此,凹土在污水处理中的应用对保护生态环境、保证人类的健康,是非常必要的,且用量大范围广,符合社会发展人民生活水平提高的需要。

在酿造工业中,用凹土来澄清葡萄酒、苹果酒、啤酒等酒类制品,可以除去酒中的各种残渣杂质,使酒质纯净。

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