科普中國(guó)-蒙脫石

蒙脫石(Montmorillonite)是由顆粒極細(xì)的含水鋁硅酸鹽構(gòu)成的層狀礦物，也稱膠嶺石、微晶高嶺石。它是由火山凝結(jié)巖等火成巖在堿性環(huán)境中蝕變而成的膨潤(rùn)土的主要組成部分。1

蒙脫石屬單斜晶系，TOT型，二八面體型結(jié)構(gòu)。分子式Ex(H2O)4{(Al2-x,Mgx)2[(Si,Al)4O10](OH)2}，式中E為層間可交換陽(yáng)離子，主要為Na+、Ca2+，其次有K+、Li+等5。蒙脫石主要由基性火成巖在堿性環(huán)境中風(fēng)化而成，也有的是海底沉積的火山灰分解后的產(chǎn)物4。

利用其陽(yáng)離子交換性能制成蒙脫石有機(jī)復(fù)合體，廣泛用于高溫潤(rùn)脂、橡膠、塑料、油漆；利用其吸附性能，可用于食油精制脫色除毒、凈化石油、核廢料處理、污水處理；利用其吸水性和吸水后機(jī)械性能改變，還可做砂粘結(jié)劑、貓砂、膨潤(rùn)土、膨脹劑等；在醫(yī)藥中應(yīng)用廣泛，可以做醫(yī)藥載體，起控釋劑功效，起到止瀉功效，市售常見止瀉藥藥品“蒙脫石散”主要成分即為蒙脫石。4

形成

蒙脫石是常見的黏土礦物之一，其英文名稱Montmorillonite得名于法國(guó)的一處地名，主要形成于海相或陸相沉積環(huán)境，是各種鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化產(chǎn)物，在堿性條件下經(jīng)熱液蝕變或沉積變質(zhì)作用也可形成蒙脫石。常見于現(xiàn)代土壤和海洋沉積物中。7

分布情況

膨潤(rùn)土的主要成分是蒙脫石，蒙脫石的含量直接決定了膨潤(rùn)土的工業(yè)價(jià)值，當(dāng)膨潤(rùn)土中蒙脫石含量超過80%時(shí)即可稱為蒙脫石。膨潤(rùn)土在世界范圍內(nèi)資源豐富，其中儲(chǔ)量排名前三位的國(guó)家依次是中國(guó)、美國(guó)和俄羅斯，三者的膨潤(rùn)土礦探明儲(chǔ)量約占世界探明儲(chǔ)量的80%9。世界蒙脫石資源豐富，美國(guó)、格魯吉亞、土庫(kù)曼斯坦是生產(chǎn)大國(guó)。著名產(chǎn)地有美國(guó)的懷俄明、明尼蘇達(dá)，格魯吉亞的阿斯坎，土庫(kù)曼斯坦的奧格蘭雷，意大利的撒丁島，希臘的米洛斯島等。中國(guó)主要產(chǎn)地有河北宣化，內(nèi)蒙古赤峰、興和，江蘇句容，浙江臨安、安吉，安徽屯溪、嘉山，湖南澧縣，新疆托克遜，遼寧黑山，吉林九臺(tái)等地。6

形態(tài)

蒙脫石主要由基性火成巖在堿性環(huán)境中風(fēng)化而成，也有的是海底沉積的火山灰分解后的產(chǎn)物。蒙脫石為膨潤(rùn)土的主要成分。膨潤(rùn)土在我國(guó)產(chǎn)地很多，如遼寧、黑龍江、吉林、河北、河南、浙江等地都有產(chǎn)出。我國(guó)具工業(yè)價(jià)值的蒙脫石礦床多產(chǎn)于中生代火山巖系中。

一般說蒙脫石外觀形態(tài)多是說膨潤(rùn)土原礦，膨潤(rùn)土原礦常呈土狀隱晶質(zhì)塊狀，電鏡下為細(xì)小鱗片狀，一般說蒙脫石的微觀形態(tài)多是說蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)。

晶體結(jié)構(gòu)

單斜晶系；C32h-C2/m；a0=0.523 nm，b0=0.906 nm，c0=0.96～2.05 nm之間變化。如鈣蒙脫石層間為一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)水分子層時(shí)其c0值分別為0.96 nm、1.25 nm、1.55 nm、1.85 nm、2.05 nm；β近于90°。TOT型，二八面體型結(jié)構(gòu)。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

蒙脫石由于晶體結(jié)構(gòu)中鐵、鈣、錳、鈉等離子含量變化而呈現(xiàn)磚紅色、白色、深紫色、淺灰白色、淺粉白色、淺綠色等多種顏色。摩氏硬度2～2.5，比重2～2.7，非常柔軟，有滑感3。蒙脫石屬單斜晶系，TOT型，二八面體型結(jié)構(gòu)。

陽(yáng)離子交換性

陽(yáng)離子交換性是蒙脫石最重要的性能之一。蒙脫石層間吸附的陽(yáng)離子具有可交換性，這些陽(yáng)離子的總量稱為“陽(yáng)離子交換量”(CEC)。在水介質(zhì)中，其它交換性陽(yáng)離子和水分子能進(jìn)入層間，這個(gè)過程是可逆的。利用蒙脫石的陽(yáng)離子交換性對(duì)其進(jìn)行改性，可以制備鈉基膨潤(rùn)土、鋰基蒙脫石、活性白土、柱撐蒙脫石、有機(jī)蒙脫石等各類產(chǎn)品。9

吸水膨脹性

蒙脫石結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基，親水性強(qiáng)，吸水膨脹特征顯著。蒙脫石的膨脹主要是基于層間陽(yáng)離子的水化，吸附水分子形成水化膜，使層間距增大而發(fā)生膨脹。蒙脫石的水化膨脹主要包括三個(gè)階段:

(1)表面水化：在蒙脫石結(jié)構(gòu)的表面和端面存在大量的不飽和斷鍵,如Si-OH、Al-OH等，它們可以通過與水分子形成氫鍵，或通過吸附的可交換陽(yáng)離子吸附水分子。

(2)離子水化：層間交換性陽(yáng)離子水化形成水化陽(yáng)離子。

(3)滲透水化：層間距增加到一定程度后，由于晶層內(nèi)外離子濃度差引起滲透壓差，水分子進(jìn)入層間，陽(yáng)離子擴(kuò)散到水中，形成雙電層，產(chǎn)生斥力，使層間距增加，引起膨脹。

上述三種水化方式中，以后兩種為主。910

分散懸浮性

由于蒙脫石層間結(jié)合力弱，水分子容易滲透進(jìn)入片層間，使層間距增加，片層分散剝離，水化后的顆粒以少量晶胞聚集、或單位晶胞或晶層平行疊置的形式存在。在水介質(zhì)中，由于蒙脫石顆粒均帶負(fù)電，彼此排斥，在低濃度時(shí)難以形成大的顆粒聚集體，從而具有良好的懸浮性，可用作懸浮劑，一般懸浮性隨PH值增大而增強(qiáng)，堿性條件下比在中性和酸性條件下更好。9

增稠性

蒙脫石與水混合時(shí),表面水化能及陽(yáng)離子水化能大于層間引力,使蒙脫石體積膨脹,形成獨(dú)立的片層。在蒙脫石片層的棱邊,由于鋁氧鍵和硅氧鍵的斷裂,使得片層端面帶正電荷,可以吸引表面的負(fù)電荷,邊與面相互締合成體積龐大的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將水分子、乳液粒子等包裹隔離,使其運(yùn)動(dòng)阻力增大,從而達(dá)到增稠效果。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),這種膠體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。當(dāng)施加剪切力時(shí),膠體結(jié)構(gòu)被破壞,相互吸引的片層又分散開,微粒運(yùn)動(dòng)的阻力減小,體系粘度降低。帶電粒子如分散劑六偏磷酸鈉等的加入,可以吸附在蒙脫石端面,中和邊緣正電荷,從而破壞“卡片宮”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。加入正電荷,可以中和酸根陰離子,恢復(fù)端面正電荷,重新形成膠體結(jié)構(gòu),粘度進(jìn)一步增加。9

觸變性

蒙脫石膠體是一種非牛頓流體，粘度隨剪切速率或時(shí)間而變化。在剪切力作用下，蒙脫石膠體的連續(xù)三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)易被破壞，片層又重新分散，體系粘度降低，膠體開始流動(dòng)，具有剪切稀化特性；當(dāng)粘土體系受到恒定的剪切速率時(shí)，隨著膠體結(jié)構(gòu)的破壞，粘度隨時(shí)間降低，直至達(dá)到平衡粘度。當(dāng)撤掉剪切力時(shí)，靜置條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氫鍵恢復(fù)，分散的片層由于正負(fù)電荷吸引，又逐漸締合成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，體系粘度增加，這種膠體結(jié)構(gòu)破壞又恢復(fù)的過程是可逆的，稱為蒙脫石的觸變性，可用同一轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)速度10R與R下的粘度比值來表示觸變指數(shù) TI。9

穩(wěn)定性

蒙脫石是一種天然無機(jī)礦物材料，具有良好的穩(wěn)定性，耐候性好。

(1)化學(xué)穩(wěn)定性好

蒙脫石不溶于水和各類溶劑，常溫下不被還原、氧化，耐pH范圍廣，其結(jié)構(gòu)不易受到酸、堿、鹽等的影響，與有機(jī)陰離子、醇類溶劑等的相容性好。9

(2)熱穩(wěn)定性好

脫羥溫度是評(píng)價(jià)蒙脫石耐熱性能的尺度，反映出其熱穩(wěn)定性的優(yōu)劣。蒙脫石的脫羥溫度一般為550℃-750℃，這一溫度下結(jié)構(gòu)羥基被脫除但層結(jié)構(gòu)未被破壞，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。11

(3)生物穩(wěn)定性好

蒙脫石不受細(xì)菌、微生物等影響，其懸浮液在濕熱條件尤其是在潮濕環(huán)境或夏季30-40℃高溫條件下放置，不易發(fā)霉變質(zhì)，不會(huì)出現(xiàn)像纖維素、黃原膠等有機(jī)增稠劑一樣酶解、發(fā)臭和粘度降低現(xiàn)象，防腐抗降解性能優(yōu)越。9

提純方法

膨潤(rùn)土的提純方法很多，依據(jù)提純工藝可分為干法和濕法兩種。

1）干法：

干法就是將已磨至一定細(xì)度的膨潤(rùn)土原礦和空氣充分混合成流態(tài)化，在分級(jí)輪離心力和風(fēng)機(jī)抽力的作用下，大部分粗顆粒和比重大的顆粒與細(xì)粒礦物相分離的提純工藝。

2）濕法：

濕法提純時(shí)，水介質(zhì)為蒙脫石層間膨脹與水化提供了足夠的空間與動(dòng)力，通過攪拌、添加分散劑，蒙脫石膠粒粒級(jí)將更小，從而更容易地與不能達(dá)到膠體粒級(jí)的雜質(zhì)礦物實(shí)現(xiàn)分離。8

依據(jù)分離原理可分為物理方法和化學(xué)方法提純。

1）物理提純法：

物理提純法有風(fēng)選法、重力淘洗法、離心法、旋流分級(jí)法、磷酸鹽法、超聲波振蕩法、電泳法、絮凝法等。根據(jù)膨潤(rùn)土品位和產(chǎn)品純度的要求，通常需要聯(lián)合使用幾種方法。要根據(jù)膨潤(rùn)土的品位和應(yīng)用要求，如高品位(蒙脫石含量在80%左右)的膨潤(rùn)土可采取風(fēng)選法提純；低品位的膨潤(rùn)土則采取濕法提純；含有長(zhǎng)石、方解石等粗顆粒雜質(zhì)的膨潤(rùn)土可采用重力淘洗法提純；對(duì)于那些粒度與蒙脫石相近或者包裹在蒙脫石里面的雜質(zhì)需化學(xué)方法除去，而在醫(yī)療、食品上使用的膨潤(rùn)土一般不能用化學(xué)法提純。7

2）化學(xué)提純法：

化學(xué)提純法又可分為化學(xué)離心提純法和鈉化離心提純法。前者在離心提純法的基礎(chǔ)上加入了分散劑，通常為磷酸鹽，蒙脫石端面吸附磷酸根離子，使形成膠體結(jié)構(gòu)的有效片層數(shù)量減少，負(fù)電荷增加，片層間排斥作用加強(qiáng)，體系粘度降低，使微細(xì)粒雜質(zhì)礦物暴露出來，在重力作用下更易在水中沉降，再通過離心達(dá)到與蒙脫石分離的目的。相比離心提純法，它改善了蒙脫石和雜質(zhì)礦物的夾雜包裹狀態(tài)，但是沒有提高鈣基蒙脫石的懸浮分散性，因此所得蒙脫石的純度更高，但產(chǎn)率更低。后者在前者的基礎(chǔ)上增加了原料預(yù)處理工藝，將鈣基膨潤(rùn)土改性為鈉基膨潤(rùn)土后再進(jìn)行離心提純，提高了蒙脫石的分散懸浮性，漿液中細(xì)顆粒蒙脫石增加，在提高純度的同時(shí)增加了產(chǎn)率。12

紅外特征

加水膨脹為其特征。確切鑒定需結(jié)合X射線分析、熱分析、化學(xué)分析和紅外光譜分析技術(shù)等。

紅外光譜分析技術(shù)分析蒙脫石數(shù)據(jù)如下：

主要用途

利用其陽(yáng)離子交換性能制成蒙脫石有機(jī)復(fù)合體，廣泛用于高溫潤(rùn)脂、橡膠、塑料、油漆；利用其吸附性能，用于食油精制脫色除毒、凈化石油、核廢料處理、污水處理；利用其粘結(jié)性可作鑄造型砂粘結(jié)劑等；利用其分散懸浮性用于鉆井泥漿。由于鈉蒙脫石的許多性能優(yōu)于鈣蒙脫石，因而常利用蒙脫石的陽(yáng)離子交換性能，進(jìn)行改型處理，將鈣蒙脫石改造成鈉蒙脫石。蒙脫石在醫(yī)藥中應(yīng)用廣泛，可以做醫(yī)藥載體，起控釋劑功效，在醫(yī)藥領(lǐng)域有成熟產(chǎn)品蒙脫石散，幾乎成為了蒙脫石的代名詞，起到止瀉功效。蒙脫石在畜類（豬，兔）養(yǎng)殖中有很好應(yīng)用，尤其是仔、乳豬的黃白痢，小兔的拉稀，起到預(yù)防功效，鑒于蒙脫石的特性，還能作為最優(yōu)秀的飼料脫霉劑的首選。蒙脫石作為飼料輔助添加劑，憑借其自然性狀和復(fù)合功能，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于家畜家禽的飼養(yǎng)。在美國(guó)，用蒙脫石作動(dòng)物飼料占總消耗量的2.14%，在亞美尼亞已占5.47%，它不僅可通過離子交換補(bǔ)償動(dòng)物所需養(yǎng)分，提高畜禽生產(chǎn)性能，而且可以調(diào)節(jié)動(dòng)物體內(nèi)CP流動(dòng)，對(duì)預(yù)防消化道疾病有一定作用。