浅谈膨润土的改性工艺与开发利用

王志恒　李志朋　王伟鹏

摘 要 勘探研究表明，我国膨润土的储量世界第一位，种类齐全，分布广，遍布26个省市，产量和出口均居世界前列。据不完全统计，目前我国膨润土年产量已超过350万吨，而总储量占世界总量的60%。到目前为止已累计探明储量50.87亿吨以上，保有储量大于70亿吨。但是，在利用方面却总始终保留在低端水平。本文就膨润土的结构、性质和加工工艺展开论述，简单剖析了膨润土未来的高价值利用方面。希望将来对膨润土利用更加全面，附加值更高，充分体现它的经济价值和环保价值。

关键词 膨润土结构 性质 改性 开发利用

中图分类号：TU5 文献标识码：A

1膨润土结构

膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土矿，膨润土一般呈白色、灰色、粉红色、黄色、褐黑等多种颜色；具油脂光泽、蜡状光泽；断口为贝壳状或锯齿状；其形态常呈土状隐晶质块体，有时呈细小鳞片状、球粒状；硬度 2～2.5；密度 2～2.7g/cm3；性软有滑感，吸水膨胀，最大吸水量可为其体积的 8～15 倍。常含少量的伊利石、高岭石、沸石、长石和方解石等矿物。蒙脱石的化学式为Al2O3 4SiO2 3H2O。其主要化学成分为SiO2 、Al2O3 、FeO、Fe2O3、CaO、Na2O、K2O、TiO2等。其结构为硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片的 2：1 型结构，它们共同组成晶层。晶层在 a、b 二维方面延伸呈层状，在 c 方向平行堆积形成晶体，晶层之间有空隙。如下图所示：

2膨润土主要性质

2.1吸附性

吸附是所有固体物质存在的自然现象。我们将某些分子聚集在膨润土表面的现象，称为膨润土的吸附作用。膨润土吸附可以分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型。（1）物理吸附。物理吸附是靠吸附剂与吸附质之间分子间引力产生的，即我们常说的范德华力产生的。物理吸附是一种可逆的吸附过程，吸附速度与脱附速度在一定条件下呈动态平衡。（2）化学吸附。化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的，化学吸附作用一般不可逆。在钻井泥浆中应用化学处理剂就是化学吸附作用的典型例子。这种化学吸附作用明显比物理吸附作用要稳定。（3）离子交换吸附。膨润土矿物晶体一般带负电荷，因此在膨润土颗粒表面要吸附等当量的相反电荷的阳离子。吸附的阳离子可以和溶液中的阳离子发生交换作用，这种作用称为离子交换吸附。

2.2膨胀性

膨润土遇水就膨胀，这种自然现象产生的主要原因是膨润土矿物晶层间距加大，水分子进入了矿物的晶层，另外引起膨润土膨胀的原因还有膨润土矿物的阳离子交换作用。膨胀性与膨润土的属性和蒙脱石含量关系极大，钠质膨润土的膨胀性明显比钙质膨润土要强，另外纯度较高、蒙脱石含量高的膨润土的膨胀性要强。因此，在实际应用时，如果我们主要想利用膨润土矿物的膨胀性，那么我们在考虑膨润土矿物的种类时首先要选择钠质膨润土矿，其次要考虑蒙脱石含量高的钠质膨润土。在机械铸造和铁矿球团工作中，对膨胀性要求较高。大量的钙质膨润土质，达不到使用要求，因此在使用前需要对钙质膨润土进行改性处理。

2.3膨润土及其加工产品的工艺性能

膨润土及其加工产品还有许多优良的工艺性能，如分散悬浮性、触变性、流变性、膨润性、可塑性、黏结性、阳离子交换性等众多性能。正是由于膨润土有这么多良好的物理化学性能使它素有“万能”粘土之称。

3膨润土改性

3.1膨润土钠化

膨润土的性能是由蒙脱石的性能所决定的。蒙脱石属于 2：1 型层状硅酸盐，其晶体结构是外面两层硅氧四面体及中间夹一层铝氧八面体。在八面体和四面体内可发生同晶体置换，其四面体和八面体中的 Si4+和 Al3+能被其他的低价阳离子置换，使蒙脱石单位晶胞带负电荷，而成为一个大的带负电的离子，具有吸附某些阳离子的能力，这些阳离子与晶体的结合不牢固，易被其他离子置换，这种离子交换主要在晶格之间进行。因此，如果加入一些钠盐，在钙基膨润土中迫使 Na+去置换Ca2+和 Mg2+，并达到饱和状态，就使钙蒙脱石转化为钠蒙脱石，其反应式为

Ca-Bent+2Na+=Na2-Bent+Ca2+

3.2膨润土有机化

有机改性膨润土工艺主要分为湿法、干法、预凝胶法及其他方法。其中，以湿法、干法较为常见。

3.2.1湿法

湿法分散蒙脱石，提纯、改型，用长碳链有机阳离子取代蒙脱石层间金属离子，使层间距扩大至17～30埃，形成疏水有机膨润土，再经脱水、干燥、研磨成粉状产品，工艺流程见下图。

3.2.2干法

干法是将含水的精选钠基膨润土与有机季钱盐直接混合，用专门的加热混合器混合均匀，再加以挤压，制成含一定量水分的有机膨润土，也可以进一步干燥、研磨成粉状产品；或将含一定水分的有机膨润土直接分散于有机溶剂中（如柴油），制成凝胶或乳胶体产品， 工艺流程见图。

4结语

膨润土的开发利用。膨润土应用于铸造工业主要应用于黏土粘结砂中作造型材料生产铸件和球团粘结剂；膨润土因其具有强烈的吸水性可用作砖井泥浆；膨润土还可以制作干燥剂、猫砂（颗粒膨润土出口量大）；膨润土因其具有吸附性可以作为浑浊水的清洁剂，被污染水的防水剂、污染水的净化剂等，在环境保护方面有重要意义！

参考文献

[1] 蒋思.辽西某膨润土矿提纯与凝胶工艺研究[D].辽宁工程技术大学，2009.

[2] 李凯，龚文琪.有机膨润土的制备及应用综述[J].科技创业月刊，2005（02）：149-151.