“小材大用”一文了解优势非金属矿产——蛭石

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蛭石介绍

蛭石名称来源于拉丁文vermicularis，意为“蠕虫状”。因其被突然加热至高温时，沿晶体c轴方向迅速膨胀成弯曲、拉长和扭曲的柱状（下图，a，b，c），外观特征酷似水蛭而得名。

生蛭石（a）、膨胀蛭石（b）和局部放大的膨胀蛭石（c）

蛭石结构模型示意图

1824年，Webb在美国马萨诸塞州Milbury附近的黏土岩中发现蛭石。1861年，蛭石被作为一种新矿物命名。1934年，Gruner首次通过X射线衍射（XRD）和化学成分分析研究蛭石确定其结构是类似于云母，由（OH）4Mg3(Si，Al)8O20片层组成，层间阳离子周围存在厚度为0.49nm的8个水分子。并确定该蛭石为单斜晶系，晶胞参数为a0≈0.530nm，b0≈0.920nm，c0在2.857~2.877nm范围内，β＝97°09′±10′。

中国蛭石储量约占世界总储量的六分之一。其中，新疆蛭石矿储量占全国总储量的95%以上，据勘测，且干布拉克蛭石矿总地质储量居世界第二（仅次于南非），远景储量为1亿多吨，是世界罕见的超大矿床。

膨胀蛭石

蛭石是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体构成的具有限域结构的天然层状矿物材料。由于其硅氧四面体的四价硅被三价铝代替，所以其层板带负电，为了消除带电性，层间是含有金属阳离子的含水水层，水的存在也是蛭石膨胀的关键因素。

蛭石受热体积可瞬间膨胀2~20倍，低膨胀率蛭石层间少数片层被打开，晶体结构完整，并且保留本身的阳离子交换性和吸附性，可用于重金属离子吸附及污染物降解的研究；而在高温下蛭石发生较为完全的膨胀，其热稳定性和保温隔热性得到改善，比表面积和孔隙率大幅提高，可直接用于改良土壤的通气性和保水性以及作为饲料和建筑材料的添加剂使用，并且高膨胀率蛭石被称为是隔热、相变、隔音等功能复合材料的重要原料之一。

☆膨胀蛭石的制备

膨胀蛭石使用性能往往与膨胀程度紧密相连。一般来说，蛭石膨胀倍数越高，使用性能越好。蛭石膨胀工艺是制备高性能膨胀蛭石产品的关键环节。国内外学者对蛭石高膨胀制备工艺的研究较多，主要制备方法是热膨胀法、化学膨胀法和微波膨胀法。热膨胀法制备膨胀蛭石，即蛭石在1200℃的高温窑炉中煅烧几分钟，蛭石快速吸热，层间水急剧蒸发，蛭石层在蒸汽压的作用下发生分离。

胡光锁对成分不同的蛭石进行电加热膨胀实验，结果发现：深黄色蛭石，结晶度高且层间水多的蛭石膨胀效果更加明显。

Mouzdahir等考察了热处理温度对蛭石膨胀性能的影响，结果表明，煅烧温度的升高可以显著提高蛭石的膨胀效果，但过高的煅烧温度亦会引起蛭石片层间铝原子堆积和压缩相莫来石的产生，从而导致蛭石膨胀率下降。然而经过热膨胀法制备的膨胀蛭石主要存在能源消耗巨大且产品脆性大的缺点，基于此，国内外学者采用化学膨胀法制备膨胀蛭石。Folorunso等利用蛭石的介电特性研究蛭石膨胀倍数与微波功率的关系，研究结果表明：在2.45GHz微波作用下，蛭石的膨胀倍数与微波功率呈三次方关系。

目前，尽管微波加热技术趋于成熟，但我国膨胀蛭石的主要生产方式仍是将天然蛭石放于立式窑炉中高温煅烧，这一落后的制备技术伴随着膨胀蛭石脆性大且能耗高等诸多问题，并且导致膨胀蛭石的应用性能下降和环境污染。因此，针对蛭石膨胀率低、膨胀性能差的瓶颈，应开发膨胀蛭石制备新工艺，提高膨胀蛭石的综合性能，这对我国膨胀蛭石工业化生产以及功能化应用具有深远意义。

蛭石的应用

☆蛭石基吸附功能材料

近年来，环境污染状况日益严峻，健康安全的环境对于人民生活条件起着重要的作用，吸附是一种简单有效的水处理方法。由于活性炭成本高与再生困难等缺点，天然蛭石是典型的硅铝酸盐黏土，具有资源丰富、价廉易得、亲水、层板带负电荷、多级结构和物理化学性能稳定等优势，其在水处理应用中的优势凸显。

蛭石基吸附材料的吸附机理主要包括以下几个方面：（1）基于层板带电荷，在带负电的表面上通过正负电的吸引来进行吸附；（2）通过离子交换方式，进行各种金属离子的吸附分离；（3）有机改性蛭石通过相似相容原理与待吸附物进行吸附；（4）表面形貌，比如通过蛭石表面的多孔和层板边缘的棱角等进行吸附；（5）其他协同作用，比如蛭石的强吸水性，蛭石片的大小和膨胀性能等。

☆蛭石基催化载体材料

蛭石作为催化载体可以通过可控的物理和化学方法调控材料的结构和形貌。主要有负载法、酸改性法、静电纺丝法和原位生长法等。

蛭石本身就有催化剂的性能，可以直接用其作为光解水制氢催化剂。鉴于蛭石含有铁元素能够激活过氧化氢分子，催化降解水体中的有机分子，细颗粒碎蛭石也可直接用作Fenton反应非均相催化剂，用于降解废水中不同染料。利用负载铁的蛭石也可以用作Fenton光催化剂。

☆蛭石基有机—无机复合材料

单一的高分子聚合物在耐热性、强度、致密性、阻燃等方面难以满足现实需要提出的各项要求。另外，高聚物具有聚合速率低和成品结晶度小等劣势，很难用传统方法进行加工处理，因此其应用受到限制。需要改进反应机理，最有效的方法是添加成核剂，其中添加无机物作为成核剂是方法之一。在聚合物中添加黏土纳米颗粒能够显著改善聚合物的耐热性、刚性、强度、韧性、耐冲击性、阻隔和阻燃等性能，再加上成本低廉，黏土矿物来源广泛等优点。因此，这些具有优异性能的聚合物纳米黏土复合材料有望满足工业和生活实际需要。

☆蛭石基储能材料

随着能源危机加剧和能量转换需求提高，能量储存与转换技术引起国内外广泛关注。相转变材料具有高储能密度和等温特性等优势，被认为是潜在储存材料和最有效的能量转换处理技术之一。但是熔融相转变材料容易泄漏和低热导率等缺点严重限制了它的进一步拓展。研究发现，多孔材料可以有效提高热学特性，而且可以大量减少相转变材料泄漏量。

利用蛭石的层状多级结构优势，可以通过吸附方式阻止相转变材料中液体泄漏等难题，同时添加银线来提高相转变材料的导热能力，可以制备聚乙二醇+线+膨胀蛭石复合的相转变功能材料。研究表明，该材料具有对熔体的高装载量、高热导率、高相转化潜热以及良好的化学兼容性和热稳定性等优点。

☆蛭石基药物载体材料

蛭石具有多级层状结构且层板带电荷，能够通过离子交换方式进行离子输送，利用正负电的相互作用，其具有缓释功能，实现了药物根据环境需求进行药物释放，降低了药物对动物或人体的伤害。充分利用蛭石自身结构特性，利用离子交换法、盐离子改性负载法和有机物交联等方法实现了蛭石作为药物载体的功能。

参考文献：

￭田维亮等.蛭石功能材料研究进展

￭刘猛等.蛭石功能化应用研究新进展

￭解颜岩等.蛭石的高膨胀倍数制备工艺与机理

（中国粉体网编辑整理/茜茜）

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