1．前言
海泡石，在德語(yǔ)中有“海泡沫”的意思。因其比重小，可以浮在水面。海泡石屬特種稀有非金屬礦，在自然界分布不廣。目前世界上已探明儲(chǔ)量約5000多萬(wàn)t，但實(shí)際儲(chǔ)量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該數(shù)字。從國(guó)際交易市場(chǎng)看，海泡石的出口國(guó)主要是西班牙，其次為美國(guó)、法國(guó)、土耳其、原蘇聯(lián)、澳大利亞和非洲，而在應(yīng)用上，也以西方發(fā)達(dá)國(guó)家為主。近年來(lái)，西班牙海泡石儲(chǔ)量已上升到3000萬(wàn)t，占世界探明總儲(chǔ)量的2/3左右，加大了開(kāi)發(fā)和加工力度。現(xiàn)在其每年海泡石原礦產(chǎn)量達(dá)50萬(wàn)t以上，所生產(chǎn)的成品和半成品占其出口總量的80%，主要銷(xiāo)往美國(guó)、原蘇聯(lián)、日本、坦桑尼亞等國(guó)。 在我國(guó)海泡石是上世紀(jì)80年代初才被發(fā)現(xiàn)的，并隨后對(duì)這一新興礦種進(jìn)行了有計(jì)劃地研究開(kāi)發(fā)，取得了明顯成效，但高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用仍顯不足；多年來(lái)經(jīng)過(guò)我國(guó)地質(zhì)科技人員的大量地質(zhì)勘探工作，就已探明的海泡石儲(chǔ)量在1000萬(wàn)t以上。我國(guó)海泡石總體儲(chǔ)量雖然也很大，但品位普遍較低， 為其開(kāi)發(fā)利用和出口帶來(lái)困難。目前勘探工作仍在進(jìn)行，預(yù)計(jì)儲(chǔ)量還會(huì)不斷擴(kuò)大。
天然海泡石，根據(jù)其成礦形態(tài)特征，可分為熱液型海泡石和沉積型海泡石兩種。熱液型海泡石，纖維狀結(jié)構(gòu)發(fā)育比較完整，粗大，含量高，宏觀層狀結(jié)構(gòu)明顯；而沉積型海泡石礦纖維狀結(jié)構(gòu)細(xì)小，呈毛發(fā)狀、針狀，宏觀上礦物呈層狀和塊狀。無(wú)論是哪一種海泡石，在自然界中它們常與凹凸棒石、蒙脫石、滑石等礦物共生。這兩種類(lèi)型的海泡石礦床在我國(guó)都有，其中粘土型海泡石礦床主要分布在湖南的瀏陽(yáng)、湘潭、寧鄉(xiāng)、望城、湘鄉(xiāng)、石門(mén)，江西的樂(lè)平，陜西的寧強(qiáng)等地，特別是湖南瀏陽(yáng)永和、湘潭石潭、寧鄉(xiāng)道林為我國(guó)大型海泡石礦床。而熱液型纖維狀海泡礦床主要分布在河南盧民、西峽至內(nèi)鄉(xiāng)、河北張家口，安徽全椒，湖北廣濟(jì)，貴州等地。 海泡石是一種珍貴的多孔富鎂纖維狀硅酸鹽粘土礦物，主要成分為含水硅酸鎂
（Magnesium Silica），是自然界中最具滲透性的物質(zhì)之一，由于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)及由此所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)異物化性能而被廣泛地應(yīng)用在眾多領(lǐng)域中，引起各國(guó)科技人員的濃厚興趣，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展。本文就海泡石微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和對(duì)我國(guó)某一地區(qū)海泡石礦的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析討論，以希對(duì)今后我國(guó)海泡石礦的研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用有所啟迪。
二、海泡石的晶體結(jié)構(gòu)及其微觀形貌
在結(jié)晶學(xué)上，海泡石屬斜方晶系或單斜晶系。其晶體結(jié)構(gòu)與凹凸棒石大體相同，都屬層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂硅酸鹽礦物。在鏈狀結(jié)構(gòu)中也含有層狀結(jié)構(gòu)類(lèi)型的小單元，屬2∶1型。它們所不同的是這種單元層與單元層之間的孔道不同。海泡石的單元層孔洞可加寬到3.8×9.8Å，最大者可以5.6×11.0Å]，即可容納更多的水分子(即沸石水)。因而使海泡石具有比凹凸棒石有更加優(yōu)越的物理、化學(xué)性能和工藝特性。這就是海泡石成為該族礦物中具有最佳性能和最廣泛用途的關(guān)鍵所在。同時(shí)，又因它的三維立體鍵結(jié)構(gòu)和Si-O-Si鍵把細(xì)鏈拉在一起，使其具沿一向延長(zhǎng)的特殊晶形，故顆粒呈棒狀。結(jié)構(gòu)中所構(gòu)成的開(kāi)式溝樞與晶體長(zhǎng)軸平行，這種溝樞對(duì)極性分子的吸附性能極強(qiáng)。
 在海泡石的巨大納米孔中主要存在8個(gè)沸石水和4個(gè)結(jié)構(gòu)水，而4個(gè)羥基水（OH）存在于三八面體結(jié)構(gòu)中。從這三種水的在晶體結(jié)構(gòu)中的位置就可以判斷出，羥基水是最難排除的，實(shí)際熱分析結(jié)果也是如此。最易排除的是沸石水，而結(jié)構(gòu)水一般分兩步排除，排除溫度一般在200－350℃和350－500℃。
在理論上，海泡石的化學(xué)成分較為簡(jiǎn)單，主要為硅(Si)和鎂(Mg)，其化學(xué)式為：Mg8(H2O)4(Si6O15)2(OH)4·8H2O，其中SiO2含量一般在54～60%之間，MgO含量多在21～25%范圍內(nèi)。但在自然界中，常有少數(shù)置換陽(yáng)離子，如Mg2+可被Fe2+或Fe3+、Mn2+、 Al3＋等所置換。其不平衡的電荷則主要由四面體中的Al3+和F3+對(duì)Si4+的類(lèi)質(zhì)同象置換所產(chǎn)生，故能產(chǎn)生變種海泡石。
海泡石的獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)，在理論上其比表面積可以達(dá)到900m2/g，而實(shí)際礦樣測(cè)試中很難達(dá)到這一數(shù)值，一般在60－400m2/g范圍。
在對(duì)海泡石的結(jié)構(gòu)研究中，有人發(fā)現(xiàn)海泡石中有兩種形式的鎂，一種位于八面體晶格上，一種處于電荷平衡填充的位置，電荷平衡填充是由于鋁取代硅引起的。
 在圖1中，可以看到明顯的毛發(fā)狀海泡石纖維結(jié)構(gòu)，纖維細(xì)小，并與其他礦物粘合在一起，這是典型的粘土海泡石礦物；而在圖2中，可以看到比較純的發(fā)育較好的海泡石纖維結(jié)構(gòu)，比較規(guī)則地排列，在低分辨率下，呈粗大地束狀集中。這兩種微觀形貌不同地海泡石在宏觀上都呈明顯地層片狀。圖1海泡石應(yīng)為沉積型，圖2為熱液型海泡石。
三、海泡石的開(kāi)發(fā)應(yīng)用
海泡石的應(yīng)用非常廣泛的，主要是利用其吸附特性、流變特性而被應(yīng)用在吸附劑領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)、石油化工工業(yè)等。其中各種新型海泡石吸附劑一直是各國(guó)科技人員的研究重點(diǎn)，特別在功能環(huán)保型吸附劑上，人們已取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，正向?qū)嵱没A段邁進(jìn)。
如利用海泡石制備除臭劑。因海泡石對(duì)臭氣的分子具有強(qiáng)吸附能力。與腐爛生物體臭氣有關(guān)的1 ,4二胺丁烷和1 ,5二胺戊烷以及包含在排泄物臭氣中的1，4二胺丁烷一類(lèi)的吸附曲線顯示，海泡石、坡縷石和人造硅鈣石三者中，海泡石在任何情況下都是最迅速有效的吸附劑。1 ,4二胺丁烷和1 ,5二胺戊烷被海泡石吸附的速率特別快，它們的分子和那些結(jié)構(gòu)組成中有氨群或氮?dú)獾姆肿?，均可與海泡石的酸中心發(fā)生反應(yīng)。但丁烷被吸附量較胺類(lèi)為小。
海泡石有很大的降低環(huán)境中氨氣濃度的功能，阿爾瓦雷斯－A曾發(fā)現(xiàn)用40g/m3海泡石的比率，可使氨氣從初始濃度100 ppm降到18 ppm，所以可用來(lái)控制有大量牧場(chǎng)的氨濃度。而據(jù)Dandy.A.J報(bào)道海泡石在273和298K時(shí)，對(duì)NH3有強(qiáng)吸附能力。因此，海泡石適用于動(dòng)物集中的飼養(yǎng)場(chǎng)，來(lái)控制氨的污染程度。
海泡石除氨機(jī)理可以表示如下：
 此外，人們還利用海泡石的選擇吸附特性來(lái)制造香煙過(guò)濾咀，這種新型過(guò)濾咀對(duì)煙草在燃燒中所產(chǎn)生的有害于健康的極性氣體化合物，如極性氣體化合物氨睛類(lèi)、丙酮、丙烯醛等具有優(yōu)先吸附作用，從而減少對(duì)吸煙者的危害，而對(duì)增加煙草香味的微極性化合物如甲基吠喃、二甲基吠喃或四氫吠喃、芳香族等，吸附甚少，從而保證香煙的原有味道,甚至更濃。
新近人們對(duì)海泡石作為吸濕劑進(jìn)行了廣泛研究。根據(jù)海泡石的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)海泡石的熱處理和酸活化處理可制成粒狀吸濕劑，其吸濕特性可與硅膠相比。若將海泡石與活性炭混合（活性炭有物理處理和化學(xué)處理兩種），制成復(fù)合吸附劑，它既可以吸附極性分子，又可以吸附一定的非極性分子，而具有多種用途。
對(duì)于海泡石吸濕劑的吸濕機(jī)理可看作是一個(gè)物理化學(xué)吸附過(guò)程。在海泡石結(jié)構(gòu)中，可以有三個(gè)活化吸附中心：（1）硅氧四面體層中的氧；（2）結(jié)構(gòu)中與鎂離子配位的水分子；（3）由Si-O-Si斷鍵所形成的Si-O-不飽和鍵等。它們對(duì)極性分子――如水具有極好的吸附作用。在電子顯微鏡下，我們可以看到海泡石是由細(xì)小的纖維雜亂的堆積而成；在晶體結(jié)構(gòu)中，與鎂離子配位的水分子有四個(gè)－4(OH2)，這四個(gè)活化吸附中心對(duì)海泡石的吸附作用影響較大。有人研究認(rèn)為，海泡石吸濕劑的吸濕動(dòng)力主要是海泡石分子層間交換性陽(yáng)離子和晶道層表面的水化能，同時(shí)，添加劑的吸濕水合作用也是一個(gè)重要因素，它大大地強(qiáng)化了海泡石吸濕劑的吸濕能力?？磥?lái)對(duì)海泡石的真正吸濕機(jī)理還需要更深入的研究和探索。
利用海泡石制備防霉抗菌涂料。海泡石對(duì)于有機(jī)添加劑具有不會(huì)成為霉菌培養(yǎng)基的優(yōu)點(diǎn)，其粘度也不受硬水或溫度的影響。把海泡石與美國(guó)商業(yè)凹凸棒石的性能進(jìn)行比較研究表明，海泡石濃度僅為凹凸棒石的一半，就能在丙烯酸和聚乙烯酸鹽乳膠涂料上得到相近似的效果。
還有國(guó)外利用海泡石、坡縷石類(lèi)礦物具有的納米級(jí)通道結(jié)構(gòu)，組裝量子線的研究非?；钴S。把這些礦物的納米通道結(jié)構(gòu)作為“微型的納米反應(yīng)器”。他們?cè)诤Ｅ菔募{米通道結(jié)構(gòu)中進(jìn)行組裝CaAs半導(dǎo)體和發(fā)光體量子線的研究，并發(fā)現(xiàn)了特殊的納米效應(yīng)和性能，為量子納米器件的組裝奠定了基礎(chǔ)，應(yīng)引起我們的注意。
作者： 張 強(qiáng)1 湖善洲21（武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430070）2（武漢理工大學(xué)理學(xué)院，430070）
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