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| 蛭石的綜合利用研究進(jìn)展 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2013-07-31 15:52:35 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/王麗娟）世界蛭石產(chǎn)地主要在美國、南非、中國和俄羅斯，其中美國三分之二產(chǎn)于蒙大拿州利比蛭石礦，南非產(chǎn)地是德蘭士瓦省東北部帕拉博拉蛭石礦。我國蛭石在世界上具有一定地位，目前按產(chǎn)量計居世界第三位，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)蛭石礦床、礦點100余處，主要礦山分布在北方，如新疆、內(nèi)蒙、河南、陜西、山西、河北和山東等省區(qū)，新疆尉犁且干布拉克礦床是我國目前發(fā)現(xiàn)的最大的蛭石礦床，估計儲量居世界第二。我國蛭石年產(chǎn)量已達(dá)到10萬t，占世界總產(chǎn)量12.5%，國內(nèi)消費6萬t，出口4萬t。天然蛭石以其儲量豐富、價格低廉、吸附容量大，對環(huán)境無毒無害且容易再生等優(yōu)點，在污水處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
一、蛭石的基本情況
蛭石是一種天然、無毒的粘土礦物，由云母風(fēng)化或蝕變而形成。蛭石是典型的2:1型層狀硅酸鹽粘土礦物，結(jié)構(gòu)單元由四面體片、八面體片及層間域組成，層間存在大量的陽離子和水分子。
蛭石的一般物理性質(zhì)與云母相似，常呈鱗片狀、片狀或單斜晶系的假晶體。鱗片重疊，解理完整。蛭石為褐黃色至褐色，有時帶綠色色調(diào)。為土狀光澤、珍珠光澤或油脂光澤，不透明。蛭石在500~800℃溫度下焙燒0.5~1min，體積迅速膨脹，體積膨脹6~10倍，線性膨脹8~12倍，通常稱之為膨脹蛭石。
蛭石具有較好的陽離子交換性能、吸附性、高溫膨脹性，故廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保、建材、畜牧業(yè)等領(lǐng)域。
二、蛭石的應(yīng)用現(xiàn)狀
1、蛭石在園藝及農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
在園藝上，膨脹蛭石高度的保水能力和片狀結(jié)構(gòu)，使土壤通氣良好，保持土壤良好的潮濕狀況，成為種子發(fā)芽的理想介質(zhì)，促進(jìn)發(fā)芽速度和提高發(fā)芽率。蛭石的陽離子交換能力強(qiáng)，在分子結(jié)構(gòu)中可以保持養(yǎng)分然后緩慢釋放到生長介質(zhì)中，故作為無土栽培的墊層及蔬菜、水果、花卉、家養(yǎng)植物生長的分離隔層很有用；在花圃的土壤中可因其密度使得滲透性強(qiáng)和保水性好，可為植物合理提供養(yǎng)分，對土壤的調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，改善水的滯留和通風(fēng)，易控制土壤中有益元素的吸收和釋放，并可防止土壤pH值的急劇變化，在肥料用量過多時對植物也不會產(chǎn)生危害。
在農(nóng)業(yè)中，蛭石依靠其良好的陽離子交換性和吸附性，在農(nóng)牧業(yè)主要用作土壤改良劑，可改善土壤結(jié)構(gòu)，儲水保墑，改善土壤透氣性和含水性等，還可向植物提供自身含有的K、Ca、Mg、Fe、Si以及微量Mn、Cu、Zn等元素。
2、蛭石在建筑業(yè)的應(yīng)用
膨脹蛭石導(dǎo)熱系數(shù)和密度大大減小，具有良好的隔音、隔熱、絕緣、阻燃性能，同時，蛭石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有抗菌功能，可用于建筑物外墻、夾墻、樓板、平頂、屋面，地坪等不燃絕熱保溫材料，也可作為松散的充填材料。
目前蛭石產(chǎn)品的應(yīng)用已從傳統(tǒng)的保溫材料向防火、裝飾、房間隔斷等多功能材料發(fā)展，蛭石可以生產(chǎn)以下建筑產(chǎn)品和制品。
（1）發(fā)泡蛭石
從實踐使用表明：它是有效的熱絕緣（保溫）材料，它可以作為建筑物外墻、屋頂、地坪的不燃絕緣（保溫）材料。它具有流動性，可以填充任何形狀凹空。這種材料密度僅100～200kg/m3。發(fā)泡蛭石具有良好的吸附性能，能很好的吸附氣體和有機(jī)物，可以用于凈化氣體和廢水。
（2）防火蛭石板、蛭石防火裝飾板
蛭石防火裝飾板可用于劇院、賓館、商場等建筑物的裝飾，既華麗又防火。這種產(chǎn)品是以膨脹蛭石為主要原料，加入添加劑、防水劑和特制的粘結(jié)劑，加壓成型而成。
（3）蛭石混凝土
為了提高各種建筑物的熱絕緣（保溫）性能，也可以采用蛭石混凝土，這種混凝土采用發(fā)泡蛭石作為細(xì)填料。用蛭石混凝土可以生產(chǎn)建筑物墻體材料。這種墻體材料不僅重量輕，而且隔熱（保溫）、隔音性能好，在現(xiàn)代高層建筑中用途很廣。蛭石混凝土可以制成不同密度，如陶粒模石混凝土密度為900kg/m3，通過調(diào)節(jié)陶粒、蛭石、水泥的配比，可以制得密度更低、隔熱（保溫）隔音性能更好的陶粒蛭石混凝土。在陶粒蛭石混凝土或蛭石混凝土中也可以加入礫石。密度為400～500kg/m3的蛭石混凝土在多層民用建筑中可以用于外墻堵縫和粉飾，而蛭石混凝土制備和使用與普通混凝土一樣。采用蛭石混凝土作為外墻堵縫和粉飾可以降低材料消耗（它的密度僅為普通混凝土的1/3），節(jié)省勞動力，還可以改善外墻隔熱（保溫）性能。
3、蛭石在廢水處理中的應(yīng)用
目前在水處理中蛭石的應(yīng)用研究主要集中在去除氨氮、重金屬離子、磷酸鹽、有機(jī)污染物幾個方面。蛭石用來去除廢水中的污染物，具有價廉、吸附能力強(qiáng)、儲量豐富及可再生等優(yōu)點。因其本身具有絮凝性,蛭石可被加工成粒狀、片狀及粉末狀等，應(yīng)用非常方便。
- 去除水中氨氮
聶發(fā)輝等研究了人工濕地中蛭石填料凈化污水中氨氮的能力。結(jié)果表明，蛭石的飽和吸附容量超過現(xiàn)在使用廣泛的沸石。蛭石的陽離子交換具有反應(yīng)速度快了，且可以在5 h內(nèi)達(dá)到平衡，符合陽離子交換規(guī)律.蛭石在pH值為2.0~6.0時吸附容量隨pH值增大而增大，在溫度為10~35℃時，吸附容量隨著溫度升高而減小，隨蛭石用量增加氨氮去除率提高。蛭石是可以反復(fù)再使用的，其再生后的吸附容量比蛭石的吸附容量要大。
（2） 去除重金屬離子
李暉、譚光群等研究了蛭石對汞的吸附性能。結(jié)果表明：蛭石對汞具有較強(qiáng)的吸附作用，吸附速度快，20 min后基本達(dá)到吸附平衡。pH值是影響吸附的主要因素，pH值較小的酸性環(huán)境不利于吸附，pH值較高的中性至堿性條件吸附效果好。
國外學(xué)者研究了蛭石對水中重金屬離子的吸附作用。結(jié)果表明：蛭石對不同離子的最佳吸附條件是不同的，達(dá)到最大吸附時Pb2+、Ni2+、Cu2+、Co2+所需的時間分別是12，24，48，71h，對Pb2+、Ni2+、Cu2+、Co2+的飽和吸附分別為0.59、0.76、0.84、0.93 mmol/g，吸附等溫線符合Langmuir吸附等溫式。
（3） 去除水中磷酸鹽
鄧雁希等研究了蛭石去除廢水中磷酸鹽。結(jié)果表明：未經(jīng)處理的蛭石對磷的去除效果很差，但是加熱到700℃活化后的膨脹蛭石對磷有較好的去除效果。在蛭石用量為0.5 g/l00mL，模擬磷廢水濃度為10 mg/L、pH值為7.50~7.60時，在很短的時間內(nèi)就可使殘留液濃度降到0.5 mg/L以下，去除率可達(dá)99%以上。因此，蛭石可用于廢水除磷。
4、蛭石在其它行業(yè)的應(yīng)用
蛭石作為填料加入摩擦材料，可起著增強(qiáng)劑和穩(wěn)定劑的作用。用蛭石作香料油載體而制作的香料具有散香時間長的特點。蛭石有機(jī)化后可用來制備聚合物基納米復(fù)合材料，此類材料具有較高的強(qiáng)度、彈性模量、韌性、阻隔性能、質(zhì)輕、良好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性等特點。隨著蛭石新產(chǎn)品的開發(fā)，在建筑、電力、石油、化工、冶金、輕工、機(jī)械、造船等行業(yè)中也受到廣泛重視。
綜上所述，蛭石是一種很好的膨脹材料，具有良好的隔音、隔熱、絕緣、化學(xué)穩(wěn)定等性能，因此作為質(zhì)輕、保溫、隔熱、隔音、防火等材料，廣泛的應(yīng)用于建筑等行業(yè)；另外，蛭石良好的陽離子交換性和吸附性，在農(nóng)業(yè)、環(huán)保等方面用于改良土壤、廢料殺蟲劑、污水處理。
三、蛭石的改性研究現(xiàn)狀
為了改進(jìn)蛭石的物化性能和獲取性能良好的催化劑，人們便采用各種不同的方法對蛭石進(jìn)行改性，目前常用的處理方法有下面3種。
1、酸處理
酸活化蛭石的機(jī)理為：用酸浸泡后，蛭石晶片破裂，呈現(xiàn)出多孔特征；顆粒通道中的雜質(zhì)被溶出，孔道疏通，從而有利于吸附質(zhì)分子的擴(kuò)散，吸附能力得以提高。酸處理的具體做法為：把蛭石樣品磨細(xì)至粒度﹤150um，加入1mol/L的HCl（5g粘土/100ml溶液）加熱至83℃，恒溫攪拌2h后進(jìn)行沖洗，在60℃條件下烘干后得到酸處理蛭石。
蛭石酸處理后顯示出更強(qiáng)的表面活性；另外，酸可以在蛭石表面腐蝕出一些細(xì)微的凹坑，從而增大了蛭石的比表面積，使得其表面電性增強(qiáng)以及吸附面積的增大，促使吸附能力增強(qiáng)。
2、熱處理
蛭石煅燒時急劇膨脹，瞬時溫差越大，膨脹倍數(shù)也越大，從而可以制備膨脹蛭石。目前，一部分專家學(xué)者研究認(rèn)為，蛭石的膨脹主要是由于在急劇加熱蛭石片時，它四周的邊緣要比解理面的中間部分先被加熱；層間的水分從邊緣上比從中間部分排除得更快，水分沿蛭石片周邊封閉了層間空間，在其中造成了能有效地使之膨脹的高的蒸氣壓力。加熱速度愈快，蛭石片邊緣和中心上的溫度梯度愈大，水分封閉周邊也發(fā)生得愈早，層間水分參與膨脹過程就愈有效，因而膨脹程度也就愈高。還一部分研究者認(rèn)為它還和一些蛭石中存在的殘留云母組分有關(guān)，其原因是由于結(jié)構(gòu)OH基失去并轉(zhuǎn)化為水，結(jié)構(gòu)局部破壞而引起的。
魏曉利等實驗得出：不同類型的工業(yè)蛭石在加熱處理過程中結(jié)構(gòu)的變化具有大同小異的特點，在300℃以下的結(jié)構(gòu)變化是由于蛭石晶層失去層間水引起的。蛭石晶層層間水的失去是一個不統(tǒng)一的過程，部分晶層先失去一個或兩個水分子，到300℃時，蛭石晶層層間水全部失去。900℃處理后，各種類型工業(yè)蛭石結(jié)構(gòu)均嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)玻璃相，并伴有新相出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)已完全破壞。由此說明，在生產(chǎn)膨脹蛭石時膨化溫度不能高于900℃。
蛭石的膨脹度和強(qiáng)度是衡量膨脹蛭石質(zhì)量優(yōu)劣的主要依據(jù)，其影響因素包括礦物的內(nèi)在因素、人為因素等，而且它們之間還相互影響。根據(jù)資料統(tǒng)計表明，Mg的含量對蛭石的膨脹倍數(shù)影響較明顯，Mg含量高的蛭石，受熱膨脹倍數(shù)亦高；Mg含量低，則受熱膨脹倍數(shù)也較小。另外根據(jù)A.Justo等的研究表明，F(xiàn)e和Ti的含量對膨脹倍數(shù)有較大影響。Fe和Ti的含量高的，膨脹倍數(shù)較小。同時實驗表明，蛭石瞬間受熱急劇膨脹的最佳時限為60s左右，時間太短，蛭石得不到充分地膨脹，產(chǎn)品的容量大；時間太長，一方面浪費了能源，另一方面也容易引起過燒。過燒后降低了產(chǎn)品的強(qiáng)度，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。煅燒溫度隨礦石的不同產(chǎn)地、不同規(guī)格而相應(yīng)變化，當(dāng)蛭石片徑大時，煅燒溫度相對要高，反之則低。所以應(yīng)分級分別加工，才能使煅燒效果更好。
3、蛭石的有機(jī)改性
蛭石的有機(jī)改性是利用蛭石層間域內(nèi)水分子和陽離子具有可交換的特性，有機(jī)陽離子通過離子交換進(jìn)入層間域內(nèi)，并形成有機(jī)插層蛭石。天然蛭石由于類質(zhì)同相置換在層間存在著Na+、Ca2+、Mg2+等無機(jī)陽離子和水分子，這些無機(jī)陽離子可以相互交換，也可以被有機(jī)陽離子交換。有機(jī)陽離子具有疏水作用，因此，有機(jī)陽離子與蛭石層間的無機(jī)陽離子發(fā)生交換所形成的有機(jī)蛭石具有疏水--親油性。
目前，蛭石的有機(jī)改性主要是通過陽離子交換法實現(xiàn)的。通過陽離子交換，用有機(jī)陽離子去中和蛭石結(jié)構(gòu)層的剩余負(fù)電荷，并降低硅酸鹽片層的表面能，進(jìn)而增加蛭石與有機(jī)物之間的親和性。根據(jù)陽離子種類的不同目前主要有胺鹽改性、有機(jī)大分子改性兩大類。
吳平霄等研究了十六烷基三甲基溴化銨在蛭石層間的排列方式，研究表明，有機(jī)陽離子在蛭石，蒙脫石層間排列方式不一樣，在前者，主要采取平鋪方式，而后者主要采取近乎直立方式。并且，有機(jī)蛭石的d001值與HDTMA在層間的含量多少有關(guān)。
朱建喜等用溴代十六烷基吡啶、磷酸三丁酯對未膨脹蛭石和膨脹蛭石進(jìn)行改性處理，并研究了層間水分子對這兩種有機(jī)分子進(jìn)入蛭石層間難易的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，層間水分子的含量能夠?qū)τ袡C(jī)分子進(jìn)入蛭石層間產(chǎn)生影響，但對具有較強(qiáng)離子交換能力的有機(jī)分子進(jìn)入層間的影響不大；此外層間水分子對有機(jī)分子的作用遵循異極性排斥的原則。
我國的蛭石資源較為豐富，但在應(yīng)用上還比較單一，主要因為蛭石粒度大、層電荷高，有機(jī)化困難，導(dǎo)致有機(jī)蛭石的研究還比較薄弱，且產(chǎn)品品種少、加工處理方法簡單。解決以上問題的關(guān)鍵在科研，目前蛭石企業(yè)多以粗加工產(chǎn)品為主，售價低，效益欠佳，多無力投資進(jìn)行蛭石新產(chǎn)品、新用途研究，致使蛭石還未達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度。國家和地方應(yīng)加大投入，組織科技力量進(jìn)行研究，擴(kuò)大產(chǎn)品品種，開發(fā)廉價、簡便的膨脹蛭石生產(chǎn)工藝和設(shè)備，擴(kuò)大蛭石的應(yīng)用領(lǐng)域，著重開發(fā)細(xì)粒蛭石的應(yīng)用研究，以科技進(jìn)步帶動蛭石加工業(yè)的發(fā)展。
近年來，世界一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家對蛭石的需求量逐年增加。據(jù)推測，世界蛭石需求量將以每年5%的速度遞增，可見蛭石的開發(fā)具有相當(dāng)?shù)臐摿?。同時，如前所述，蛭石可廣泛地應(yīng)用于建筑、冶金、化工等行業(yè)，且成本低，某些材料的研制工藝也比較簡單，性能優(yōu)越。因此，蛭石的開發(fā)前景極其廣闊。
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