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| 蛭石的综合利用研究进展 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2013-07-31 15:52:35 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/王丽娟）世界蛭石产地主要在美国、南非、中国和俄罗斯，其中美国三分之二产于蒙大拿州利比蛭石矿，南非产地是德兰士瓦省东北部帕拉博拉蛭石矿。我国蛭石在世界上具有一定地位，目前按产量计居世界第三位，已经发现蛭石矿床、矿点100余处，主要矿山分布在北方，如新疆、内蒙、河南、陕西、山西、河北和山东等省区，新疆尉犁且干布拉克矿床是我国目前发现的最大的蛭石矿床，估计储量居世界第二。我国蛭石年产量已达到10万t，占世界总产量12.5%，国内消费6万t，出口4万t。天然蛭石以其储量丰富、价格低廉、吸附容量大，对环境无毒无害且容易再生等优点，在污水处理方面有着广阔的应用前景。
一、蛭石的基本情况
蛭石是一种天然、无毒的粘土矿物，由云母风化或蚀变而形成。蛭石是典型的2:1型层状硅酸盐粘土矿物，结构单元由四面体片、八面体片及层间域组成，层间存在大量的阳离子和水分子。
蛭石的一般物理性质与云母相似，常呈鳞片状、片状或单斜晶系的假晶体。鳞片重叠，解理完整。蛭石为褐黄色至褐色，有时带绿色色调。为土状光泽、珍珠光泽或油脂光泽，不透明。蛭石在500~800℃温度下焙烧0.5~1min，体积迅速膨胀，体积膨胀6~10倍，线性膨胀8~12倍，通常称之为膨胀蛭石。
蛭石具有较好的阳离子交换性能、吸附性、高温膨胀性，故广泛应用于农业、环保、建材、畜牧业等领域。
二、蛭石的应用现状
1、蛭石在园艺及农业中的应用
在园艺上，膨胀蛭石高度的保水能力和片状结构，使土壤通气良好，保持土壤良好的潮湿状况，成为种子发芽的理想介质，促进发芽速度和提高发芽率。蛭石的阳离子交换能力强，在分子结构中可以保持养分然后缓慢释放到生长介质中，故作为无土栽培的垫层及蔬菜、水果、花卉、家养植物生长的分离隔层很有用；在花圃的土壤中可因其密度使得渗透性强和保水性好，可为植物合理提供养分，对土壤的调节作用增强，改善水的滞留和通风，易控制土壤中有益元素的吸收和释放，并可防止土壤pH值的急剧变化，在肥料用量过多时对植物也不会产生危害。
在农业中，蛭石依靠其良好的阳离子交换性和吸附性，在农牧业主要用作土壤改良剂，可改善土壤结构，储水保墒，改善土壤透气性和含水性等，还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、蛭石在建筑业的应用
膨胀蛭石导热系数和密度大大减小，具有良好的隔音、隔热、绝缘、阻燃性能，同时，蛭石化学性质稳定，有抗菌功能，可用于建筑物外墙、夹墙、楼板、平顶、屋面，地坪等不燃绝热保温材料，也可作为松散的充填材料。
目前蛭石产品的应用已从传统的保温材料向防火、装饰、房间隔断等多功能材料发展，蛭石可以生产以下建筑产品和制品。
（1）发泡蛭石
从实践使用表明：它是有效的热绝缘（保温）材料，它可以作为建筑物外墙、屋顶、地坪的不燃绝缘（保温）材料。它具有流动性，可以填充任何形状凹空。这种材料密度仅100～200kg/m3。发泡蛭石具有良好的吸附性能，能很好的吸附气体和有机物，可以用于净化气体和废水。
（2）防火蛭石板、蛭石防火装饰板
蛭石防火装饰板可用于剧院、宾馆、商场等建筑物的装饰，既华丽又防火。这种产品是以膨胀蛭石为主要原料，加入添加剂、防水剂和特制的粘结剂，加压成型而成。
（3）蛭石混凝土
为了提高各种建筑物的热绝缘（保温）性能，也可以采用蛭石混凝土，这种混凝土采用发泡蛭石作为细填料。用蛭石混凝土可以生产建筑物墙体材料。这种墙体材料不仅重量轻，而且隔热（保温）、隔音性能好，在现代高层建筑中用途很广。蛭石混凝土可以制成不同密度，如陶粒模石混凝土密度为900kg/m3，通过调节陶粒、蛭石、水泥的配比，可以制得密度更低、隔热（保温）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砾石。密度为400～500kg/m3的蛭石混凝土在多层民用建筑中可以用于外墙堵缝和粉饰，而蛭石混凝土制备和使用与普通混凝土一样。采用蛭石混凝土作为外墙堵缝和粉饰可以降低材料消耗（它的密度仅为普通混凝土的1/3），节省劳动力，还可以改善外墙隔热（保温）性能。
3、蛭石在废水处理中的应用
目前在水处理中蛭石的应用研究主要集中在去除氨氮、重金属离子、磷酸盐、有机污染物几个方面。蛭石用来去除废水中的污染物，具有价廉、吸附能力强、储量丰富及可再生等优点。因其本身具有絮凝性,蛭石可被加工成粒状、片状及粉末状等，应用非常方便。
- 去除水中氨氮
聂发辉等研究了人工湿地中蛭石填料净化污水中氨氮的能力。结果表明，蛭石的饱和吸附容量超过现在使用广泛的沸石。蛭石的阳离子交换具有反应速度快了，且可以在5 h内达到平衡，符合阳离子交换规律.蛭石在pH值为2.0~6.0时吸附容量随pH值增大而增大，在温度为10~35℃时，吸附容量随着温度升高而减小，随蛭石用量增加氨氮去除率提高。蛭石是可以反复再使用的，其再生后的吸附容量比蛭石的吸附容量要大。
（2） 去除重金属离子
李晖、谭光群等研究了蛭石对汞的吸附性能。结果表明：蛭石对汞具有较强的吸附作用，吸附速度快，20 min后基本达到吸附平衡。pH值是影响吸附的主要因素，pH值较小的酸性环境不利于吸附，pH值较高的中性至碱性条件吸附效果好。
国外学者研究了蛭石对水中重金属离子的吸附作用。结果表明：蛭石对不同离子的最佳吸附条件是不同的，达到最大吸附时Pb2+、Ni2+、Cu2+、Co2+所需的时间分别是12，24，48，71h，对Pb2+、Ni2+、Cu2+、Co2+的饱和吸附分别为0.59、0.76、0.84、0.93 mmol/g，吸附等温线符合Langmuir吸附等温式。
（3） 去除水中磷酸盐
邓雁希等研究了蛭石去除废水中磷酸盐。结果表明：未经处理的蛭石对磷的去除效果很差，但是加热到700℃活化后的膨胀蛭石对磷有较好的去除效果。在蛭石用量为0.5 g/l00mL，模拟磷废水浓度为10 mg/L、pH值为7.50~7.60时，在很短的时间内就可使残留液浓度降到0.5 mg/L以下，去除率可达99%以上。因此，蛭石可用于废水除磷。
4、蛭石在其它行业的应用
蛭石作为填料加入摩擦材料，可起着增强剂和稳定剂的作用。用蛭石作香料油载体而制作的香料具有散香时间长的特点。蛭石有机化后可用来制备聚合物基纳米复合材料，此类材料具有较高的强度、弹性模量、韧性、阻隔性能、质轻、良好的热稳定性和尺寸稳定性等特点。随着蛭石新产品的开发，在建筑、电力、石油、化工、冶金、轻工、机械、造船等行业中也受到广泛重视。
综上所述，蛭石是一种很好的膨胀材料，具有良好的隔音、隔热、绝缘、化学稳定等性能，因此作为质轻、保温、隔热、隔音、防火等材料，广泛的应用于建筑等行业；另外，蛭石良好的阳离子交换性和吸附性，在农业、环保等方面用于改良土壤、废料杀虫剂、污水处理。
三、蛭石的改性研究现状
为了改进蛭石的物化性能和获取性能良好的催化剂，人们便采用各种不同的方法对蛭石进行改性，目前常用的处理方法有下面3种。
1、酸处理
酸活化蛭石的机理为：用酸浸泡后，蛭石晶片破裂，呈现出多孔特征；颗粒通道中的杂质被溶出，孔道疏通，从而有利于吸附质分子的扩散，吸附能力得以提高。酸处理的具体做法为：把蛭石样品磨细至粒度﹤150um，加入1mol/L的HCl（5g粘土/100ml溶液）加热至83℃，恒温搅拌2h后进行冲洗，在60℃条件下烘干后得到酸处理蛭石。
蛭石酸处理后显示出更强的表面活性；另外，酸可以在蛭石表面腐蚀出一些细微的凹坑，从而增大了蛭石的比表面积，使得其表面电性增强以及吸附面积的增大，促使吸附能力增强。
2、热处理
蛭石煅烧时急剧膨胀，瞬时温差越大，膨胀倍数也越大，从而可以制备膨胀蛭石。目前，一部分专家学者研究认为，蛭石的膨胀主要是由于在急剧加热蛭石片时，它四周的边缘要比解理面的中间部分先被加热；层间的水分从边缘上比从中间部分排除得更快，水分沿蛭石片周边封闭了层间空间，在其中造成了能有效地使之膨胀的高的蒸气压力。加热速度愈快，蛭石片边缘和中心上的温度梯度愈大，水分封闭周边也发生得愈早，层间水分参与膨胀过程就愈有效，因而膨胀程度也就愈高。还一部分研究者认为它还和一些蛭石中存在的残留云母组分有关，其原因是由于结构OH基失去并转化为水，结构局部破坏而引起的。
魏晓利等实验得出：不同类型的工业蛭石在加热处理过程中结构的变化具有大同小异的特点，在300℃以下的结构变化是由于蛭石晶层失去层间水引起的。蛭石晶层层间水的失去是一个不统一的过程，部分晶层先失去一个或两个水分子，到300℃时，蛭石晶层层间水全部失去。900℃处理后，各种类型工业蛭石结构均严重破坏，出现玻璃相，并伴有新相出现，其结构已完全破坏。由此说明，在生产膨胀蛭石时膨化温度不能高于900℃。
蛭石的膨胀度和强度是衡量膨胀蛭石质量优劣的主要依据，其影响因素包括矿物的内在因素、人为因素等，而且它们之间还相互影响。根据资料统计表明，Mg的含量对蛭石的膨胀倍数影响较明显，Mg含量高的蛭石，受热膨胀倍数亦高；Mg含量低，则受热膨胀倍数也较小。另外根据A.Justo等的研究表明，Fe和Ti的含量对膨胀倍数有较大影响。Fe和Ti的含量高的，膨胀倍数较小。同时实验表明，蛭石瞬间受热急剧膨胀的最佳时限为60s左右，时间太短，蛭石得不到充分地膨胀，产品的容量大；时间太长，一方面浪费了能源，另一方面也容易引起过烧。过烧后降低了产品的强度，影响产品的质量。煅烧温度随矿石的不同产地、不同规格而相应变化，当蛭石片径大时，煅烧温度相对要高，反之则低。所以应分级分别加工，才能使煅烧效果更好。
3、蛭石的有机改性
蛭石的有机改性是利用蛭石层间域内水分子和阳离子具有可交换的特性，有机阳离子通过离子交换进入层间域内，并形成有机插层蛭石。天然蛭石由于类质同相置换在层间存在着Na+、Ca2+、Mg2+等无机阳离子和水分子，这些无机阳离子可以相互交换，也可以被有机阳离子交换。有机阳离子具有疏水作用，因此，有机阳离子与蛭石层间的无机阳离子发生交换所形成的有机蛭石具有疏水--亲油性。
目前，蛭石的有机改性主要是通过阳离子交换法实现的。通过阳离子交换，用有机阳离子去中和蛭石结构层的剩余负电荷，并降低硅酸盐片层的表面能，进而增加蛭石与有机物之间的亲和性。根据阳离子种类的不同目前主要有胺盐改性、有机大分子改性两大类。
吴平霄等研究了十六烷基三甲基溴化铵在蛭石层间的排列方式，研究表明，有机阳离子在蛭石，蒙脱石层间排列方式不一样，在前者，主要采取平铺方式，而后者主要采取近乎直立方式。并且，有机蛭石的d001值与HDTMA在层间的含量多少有关。
朱建喜等用溴代十六烷基吡啶、磷酸三丁酯对未膨胀蛭石和膨胀蛭石进行改性处理，并研究了层间水分子对这两种有机分子进入蛭石层间难易的影响，结果发现，层间水分子的含量能够对有机分子进入蛭石层间产生影响，但对具有较强离子交换能力的有机分子进入层间的影响不大；此外层间水分子对有机分子的作用遵循异极性排斥的原则。
我国的蛭石资源较为丰富，但在应用上还比较单一，主要因为蛭石粒度大、层电荷高，有机化困难，导致有机蛭石的研究还比较薄弱，且产品品种少、加工处理方法简单。解决以上问题的关键在科研，目前蛭石企业多以粗加工产品为主，售价低，效益欠佳，多无力投资进行蛭石新产品、新用途研究，致使蛭石还未达到广泛应用的程度。国家和地方应加大投入，组织科技力量进行研究，扩大产品品种，开发廉价、简便的膨胀蛭石生产工艺和设备，扩大蛭石的应用领域，着重开发细粒蛭石的应用研究，以科技进步带动蛭石加工业的发展。
近年来，世界一些经济发达国家对蛭石的需求量逐年增加。据推测，世界蛭石需求量将以每年5%的速度递增，可见蛭石的开发具有相当的潜力。同时，如前所述，蛭石可广泛地应用于建筑、冶金、化工等行业，且成本低，某些材料的研制工艺也比较简单，性能优越。因此，蛭石的开发前景极其广阔。
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