凹凸棒石（又称坡缕石，palygorskite）是一种含水富镁铝的硅酸盐黏土矿物，具有2:1型链层状结构，属于海泡石族。凹凸棒石晶体呈棒状，单根晶体的直径为20-70nm，长度为0.5-5μm。
　　凹凸棒石晶体的基本结构单元是由平行于c轴的硅氧四面体双链组成，链中硅氧四面体自由氧原子的指向（即硅氧四面体的角顶）每四个一组，上下交替排列。顶点氧原子分别指向（010）和（100）晶面方向，与Mg（II）、Al（III）等八面体组成离子进行配位，形成由连续的四面体层和不连续的八面体层组成的、沿（001）方向无限延伸的2:1型链层单元，其中四面体基平面之间距离约为0.66nm，与云母中四面体结构相类似。各链层单元通过Si–O–Si键连接，形成截面尺寸为0.37nm×0.64nm的沸石状孔道。

▲（a）凹凸棒石晶体沿（001）方向投影的结构图，中心方框圈出部分为一个基本链层单元；（b）凹凸棒石的基本结构参数

　　凹凸棒石晶体的理论结构式为Si8Mg5O20（OH）2（H2O）4•4H2O，其八面体位置都被Mg（II）占据，是典型的三八面体矿物。然而，由于类质同晶取代现象，一些三价阳离子如Al（III）和Fe（III）部分取代了八面体位置上的Mg（II），形成二八面体或二/三八面体过渡结构。因此，实际产出凹凸棒石的结构式与理论晶体结构式存在一定差异。
　　Drits等在Bradley 1940年提出的晶体结构模型基础上，根据离子类质同晶替代和电荷平衡关系提出了较合理的凹凸棒石晶体结构式：
 

Mg₅-Y-ZR₃＋Y□Z（Si₈-XR^3＋X）O₂₀（OH）₂（OH₂）₄E²⁺_{（X-Y＋2Z）/2}（H₂O）₄

 
　　其中，R^3＋代表Al（III）、Fe（III），□代表八面体空位，E^2＋代表可交换阳离子。
　　Gionis等和Chryssikos等认为凹凸棒石八面体层M2位置的Al（III）可被Mg（II）取代，此时晶体中的Mg（II）过量，就会在晶体结构中产生三八面体区域，依此提出了更复杂的凹凸棒石晶体结构式：
 

yMg₅Si₈O₂₀（OH）₂（1_y）[xMg₂Fe₂（1）Mg₂Al₂]Si₈O₂₀（OH）₂

　　其中y表示三八面体部分，x表示占据二八面体部分中M2位置Fe的含量。
　　不同价态金属离子类质同晶取代的结果使凹凸棒石带有结构负电荷，同时天然凹凸棒石中结构缺陷和表面残缺价键的存在使其具有表面负电荷，因而表现出一定的胶体和吸附性能。为了补偿这些负电荷，凹凸棒石晶体孔道内或棒晶表面还存在可交换阳离子，使凹凸棒石具有表面双电层和一定的阳离子交换容量（30-40meq/100g）。因此，凹凸棒石表现出优异的胶体、吸附、载体和补强性能。
　　凹凸棒石独特的棒晶形貌和孔道结构，使其具有优异的吸附性能、胶体性能、载体性能和补强性能，广泛用于宠物垫料、脱色剂、干燥剂、有机分子吸附剂、重金属废水和放射性物质吸附剂、霉菌毒素吸附剂、药物和生物工程、钻井泥浆、增稠剂、催化材料、颜料、橡胶和塑料复合材料、环氧树脂、摩擦材料等领域。
　　凹凸棒石的研究和开发始于20世纪初，规模化应用始于20世纪80年代。我国凹凸棒石研始于20世纪80年代初，2000年前后实现工业化应用。近年来，中国成为凹凸棒石研发的主力军，每年发表的凹凸棒石SCI论文占该领域发表论文总数的60%以上，在凹凸棒石棒晶束解离、凹凸棒石结构调控和凹凸棒石功能材料研发等方面已形成国际影响力。
 
来源：凹凸棒石：从矿物材料到功能材料，作者：王文波等
编辑整理：粉体技术网
 

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