改性凹凸棒石基矿物干燥剂的制备工艺及性能研究

刘 辉，任 珺,2，陶 玲,2，傅正强

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院环境生态研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃双泰凹土科技有限公司，甘肃 兰州 730070）

1 前言

凹凸棒石又名坡缕石(Palygorskite)，是一种碱土金属含水、富镁铝纳米级硅酸盐矿物，具有独特链式(角闪石类)向层状(云母类)过渡性结构，其独特的链层状晶体结构中存在大量的晶内孔道，孔隙率高、比表面积大，该结构赋予了凹凸棒石许多独特的物理化学性质[1-3]。主要包括吸附性、载体性、催化性、可塑性和流变性等，因而具有优异的吸湿性能[4-7]。

目前对矿物干燥剂的研究有很多，如沸石活性干燥剂[8-9]，利用膨润土制备矿物干燥剂等，主要都是利用矿物的多孔特征及其良好的吸附性能[10-15]。凹凸棒石为天然矿物，无毒无污染，其晶体内存在大量的孔道，比表面积大，表面活性高，吸附性能优异，因而可以考虑用作干燥剂制备[16-22]。而且由于其晶体内大量孔道的存在，能储存大量的水，如果能够充分利用这一特性，则能够成为一种性能优越的干燥剂材料，具有很大的潜力。凹凸棒石对水汽亦有一定的吸附能力，但吸湿量有限，对其进行提纯、酸活化、热活化及加入添加剂改性处理，以增大吸附量，拓展其应用领域。

2 材料与方法

2.1 研究材料

凹凸棒石由甘肃双泰凹土科技有限公司提供，产地为甘肃省临泽县板桥镇；硫酸、CaCl2等试验材料均为分析纯。

2.2 试验方法

2.2.1 试样的制备

将凹凸棒石原矿粉碎研磨，按固液比为4∶3，将100g凹凸棒石粉末加至75mL浓度分别为1、1.5、2、3mol/L的硫酸溶液中，搅拌均匀，静置2h进行酸化。酸化完毕后，分别加入10%、15%、20%、25%的CaCl2(配制成饱和溶液)静置15min[23]。放入烘箱内在105℃下烘干，冷却至室温，研磨，过5、10、20、100目(粉末)标准筛，在250、300、350、400℃下进行热处理，时间分别为1、2、3、4h，得到改性活化的凹凸棒石，置于干燥器内备用。

2.2.2 吸湿率测定

试验中吸湿性能的测定所采用的湿度环境为饱和氯化钾盐溶液在25℃下所形成的相对湿度为85%的环境条件。首先称量经过烘干的称量瓶M1g，将待测样品分别放入称量瓶中，作标记并称重为M2g。然后将其分别放入以上的干燥器中，为使干燥器密封，应在盖沿处涂上一层凡士林。将干燥器在25℃的环境下放置24h。取出试样称量为M3g，根据公式C=(M3-M2)/(M2-M1)×100%计算出吸湿率[26]。

3 结果与分析

3.1 吸湿试验的最佳条件

以硫酸改性浓度(A，mol/L)和时间、CaCl2添加量(B，%)、颗粒粒径(C，mm)、活化温度(D，℃)和时间(E，h)为主要因素，吸湿率和颗粒强度作为干燥剂指标，选用L16(45)正交表进行试验。试验设计方案和结果分别列于表1、表2、表3。

表1 改性凹凸棒石基干燥剂制备的L16(45)正交试验因素和水平

改性凹凸棒石基干燥剂的吸湿率的主要影响因素按影响程度的大小排列顺序是焙烧时间、CaCl2添加量、硫酸浓度、颗粒粒径、焙烧温度。通过上述分析，确定最佳工艺路线为A1B4C1D3E4，即干燥剂的焙烧温度350℃、焙烧时间4h、硫酸浓度1mol/L、CaCl2添加量为25%、颗粒粒径为4mm。采用此工艺制备的凹凸棒石基干燥剂吸湿率可达50.24%(见表4)，颗粒强度作为吸湿率指标的辅助指标。

改性凹凸棒石基干燥剂的颗粒强度的主要影响因素按影响程度的大小排列顺序是颗粒粒径、焙烧温度、CaCl2添加量、硫酸浓度、焙烧时间。根据颗粒强度确定的凹凸棒石基干燥剂的最佳工艺路线为A3B1C1D2E4，即干燥剂的焙烧温度300℃、焙烧时间4h、硫酸浓度2mol/L、CaCl2添加量为10%、颗粒粒径为4mm。

表2 改性凹凸棒石基干燥剂吸湿试验的L16(45)正交试验结果

表3 改性凹凸棒石基干燥剂颗粒强度的L16(45)正交试验结果

表4 吸湿率测定结果对比

4 结论与讨论

综合正交试验关于吸湿率和颗粒强度的结果，确定焙烧温度350℃、焙烧时间4h、硫酸浓度1mol/L、CaCl2添加量为25%、颗粒粒径为4mm的工艺制备的凹凸棒石基干燥剂，在25℃、相对湿度为85%的环境中进行吸湿试验，吸湿率达到50.24%。

根据国家标准GB6287分子筛静态水吸附测定方法，测定凹凸棒石、改性凹凸棒石基干燥剂和硅胶干燥剂的吸湿率，改性凹凸棒石基干燥剂的吸湿率指标在不同相对温度条件下均优于普通硅胶，说明产于甘肃临泽的凹凸棒石经过改性后可以用于制备矿物干燥剂。

[1]何保罗，郁建国，于阳辉.凹凸棒石粘土矿物是一种绿色环保材料[J].中国非金属矿工业导刊，2004(5)：66-68.

[2]徐继香，汪琴，王爱勤.不同酸处理对凹凸棒石粘土理化性能的影响[J].中国非金属矿工业导刊，2011(2)：32-34，47.

[3]代伟伟，刘义新.安徽明光凹凸棒石粘土盐酸改性前后的矿物学特征及其孔结构[J].矿物学报，2005，25(4)：393-398.

[4]方辉，周杰，赵娣芳，等.安徽明光凹凸棒石的吸湿特性研究[J].采矿技术，2004，4(3)：17-19.

[5]邢昌，周杰，朱海青.凹凸棒石粘土干燥剂的制备与性能研究[J].中国非金属矿工业导刊，2005(2)：28-30.

[6]吕东琴，周仕学，张同环，等.凹凸棒石的提纯及改性对其吸附性能的影响[J].广东化工，2010，37(4)：59-60.

[7]公茂利，陈明功，林秀玲.凹凸棒石粘土活化方法与吸湿性关系的研究[J].安徽理工大学学报(自然科学版)，2008，28(1)：74-77.

[8]冯诗庆.用天然沸石研制新型干燥剂[J].非金属矿，1993，16(6)：39-40.

[9]陈南春，杨艳，徐文忻，等.车田红辉沸石制备干燥剂的实验研究[J].非金属矿，2004，27(2)：26-27，32.

[10]乌云，于红红.环保型活性白土干燥剂的性能研究[J].内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)，2009，38(4)：435-437.

[11]惠博然.CHG膨润土干燥剂研制及吸湿率测试[J].非金属矿，1995，18(2)：35-36.

[12]陈春荣，李朝君.膨润土干燥剂的制备、测试及吸湿机理的研究[J].长春光学精密机械学院学报，1993，16(2)：53-56.

[13]张爱琴，杨刚.膨润土复合吸附干燥剂的吸水性能研究[J].南昌航空工业学院学报，2001，15(1)：56-59.

[14]桂海涛，尹琳，邹继兴，等.硅酸盐矿物和传统吸附型干燥剂[J].硅酸盐通报，2006(2)：78-81.

[15]赵常，于九皋.以天然物质为原料的干燥剂的研究进展[J].化学工业与工程，2005，22(1)：56-61.

[16]金叶玲，姚虎卿.凹土吸附干燥剂的吸水性能和结构特征[J].南京化工大学学报，1997，19(4)：91-95.

[17]方建国，于阳辉.会宁凹凸棒石干燥剂制备的试验研究[J].中国非金属矿工业导刊，2007(1)：27-28，34.

[18]邢昌，樊清华，张海涛，等.颗粒凹凸棒石粘土干燥剂的性能研究[J].中国非金属矿工业导刊，2009(6)：37-38，44.

[19]冯启明.利用凹凸棒石粘土生产干燥剂的试验研究[J].矿产保护与利用，1995(3)：27-29.

[20]邢昌，樊清华，冒国兵，等.添加剂对凹凸棒石粘土吸湿性能的影响[J].非金属矿，2010，33(1)：31-35.

[21]韦玮，易发成，陆松，等.改良凹土基干燥剂的制备及性能研[J].非金属矿，2011，34(5)：48-50.

[22]金叶玲，马正飞，姚虎卿.凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能[J].南京化工大学学报，1997，19(4)：57-61.

[23]陆茵.CaCl2在民用干燥剂中的应用[J].日用化学工业，1999(3)：61-64.