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第14章坡缕石（palygorskite）一、概念1.坡缕石和凹凸棒石（attapulgite）——两者是成分和结构相同，但成因和命名不同的同一类矿物。前者于1862年首先在俄罗斯乌拉尔地区发现并据地名命名，属热液成因；后者1935年发现于美国佐治亚州凹凸堡并命名，属沉积成因。2.坡缕石粘土——以坡缕石矿物为主，并伴有蒙脱石、石英、白云石和方解石，有时含少量高岭石和斜发沸石。3.坡缕石的理论化学式Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O有三种不同（类型）位置的水沸石水处于孔道中，由氢键连结与八面体阳离子配位的水——位于带状结构层的边缘羟基水4.理论成分为（wB%）MgO23.38SiO256.96H2O19.215.坡缕石粘土的化学成分（1）粘土比矿物含有更多的Al2O3和Fe2O3（2）粘土MgO含量明显比矿物低（3）我国安徽嘉山县坡缕石粘土的化学成分（wB%）：SiO254.50Fe2O32.80Al2O35.90TiO20.50MgO8.90MnO0.12K2O1.0Na2O0.056.矿物特征晶体极细小，呈针状、纤维状一般光学显微镜无法鉴定，需借助以下手段确定其物相组成：电子显微镜、红外吸收光谱、差热分析、X射线粉晶衍射7.坡缕石粘土的物理特征（1）通常呈白色、浅灰色、浅绿色或浅褐色。（2）沉积型坡缕石粘土呈土状、致密块状，土质细腻，有滑感，土状或弱丝绢光泽，质轻、性脆，贝壳状断口，吸水性强，吸水时咝咝作响，并崩解为碎粒。（3）热液型坡缕石大多呈纤维状集合体，纤维柔软，不易破碎，在水中不易分散。二、工艺技术特性（一）比表面积1.比表面积：单位重量的物质所具有的表面积。2.内表面积——晶体结构内部孔道、空隙的表面积）3.外表面积——晶体（颗粒）外部的表面积。4.比表面积的大小与颗粒大小和晶体结构有关。5.坡缕石矿物具有极细小的纤维形态和较空旷的孔道结构——具有较大的比表面积。6.理论值（按Seran的平均纤维模型）A.外表面积为:280m2/g;B.内表面积为:635m2/g7.实际表面积总比其理论值要小。安徽嘉山江苏盱眙A.实测外比表面积230232（m2/g）B.实测内比表面积13696（m2/g）8.坡缕石的处理——改善表面积（1）热处理A.加热至100~150℃时，吸附水和沸石水逸出，内表面积增大；B.温度超过300℃时，结晶水逸出，晶体结构发生扭曲，表面积锐减(2)酸处理:用5%浓度的盐酸处理坡缕石，既可引起表面结构的变化，又加大了结构孔道的横截面——导致比表面积增加。(3)挤压处理：通过挤压产生的剪切力，可使原来被静电引力束缚在一起的纤维束分散变细，从而增加表面积。（二）阳离子交换性和吸附性1.坡缕石的阳离子交换容量一般在20~50mmol/100g——比蒙脱石低，比高岭石高。2.坡缕石巨大的表面积、丰富的表面负电荷——使其表现出良好的吸附性，可有效吸附有机分子、气体分子和水分子。3.通过加热或其它方法处理，还可以使吸附饱和的坡缕石解吸，从而达到反复使用的目的。4.以坡缕石粘土制备的冰箱除臭剂，当吸附饱和后，可在阳光下暴晒后可反复使用。5.坡缕石的吸附机理——坡缕石晶体结构中主要有三类吸附中心①硅氧四面体中的氧原子，由于Al3+代替Si4+可使其提供弱的负电荷，从而对吸附物产生作用力；②分布在带状结构层边缘与Mg配位的水分子，它可与吸附物形成氢键；③Si-O-Si晶格破键产生的Si-O离子团，它可与吸附分子相互作用，且能与某些有机分子形成共价键。6.坡缕石的吸附具有选择性（1）水和氨等极性分子能被吸收，吸附力顺序是：水醇酸醛酮正烯中性脂芳烃环烷烃烷烃；（2）甲醇和乙醇能被孔道吸附；（3）氧等非极性分子不能被吸附。7.坡缕石吸附性的评价——可由“吸蓝量”定量评价（1）吸蓝量——粘土矿物分散在水溶液中吸附次甲基蓝的能力C16H18N3SCl·nH2O——一种颜料（2）以100g粘土吸附次甲基蓝的克数表示。（3）坡缕石粘土的吸附量一般小于24g/100g，低于蒙脱石。（三）悬浮性及流变性1.坡缕石矿物呈纤维状或针状形态，并发育与纤维轴平行的{011}解理——因而在水或其它强极性溶液中易于分散——进而形成一种杂乱的纤维格状体系的悬浮液。2.坡缕石悬浮液是流变性极好的流体。3.影响流变性的因素A.粘度随坡缕石含量增高而增大；B.剪切力增加，粘度增大，触变性增强；C.低剪切力或剪切力完全消失，悬浮液发生絮凝。4.评价体系——胶质价——是反映坡缕石粘土分散性、亲水性和膨胀性的综合指标。5.测定及表示方法为15g粘土与水混合后，加入1g氧化镁，总体积为100mL，——搅拌5min，——静置24h，形成的凝胶层的体积即为胶质价（单位：cm3/15g）。6.坡缕石粘土的胶质价一般在40-50cm3/15g之间，低于膨润土。（四）催化性1.坡缕石矿物具有较大的比表面积，集合体发育微细孔隙构造，晶体结构中存在直径0.6nm左右的孔道，可以满足异相催化反应所需的微孔和表面特征，也可作为贵金属及多种金属离子如Pt、Ni、Cu等催化剂的载体。2.坡缕石矿物结构中由非等价阳离子类质同像替代造成的晶格缺陷和破键而形成的路易斯（Louis）酸化和碱化中心，有利于酸碱协同催化作用的形成。3.坡缕石较强的机械性能和热稳定性能，使其具有广泛的使用范围。（五）其他性质坡缕石还具有良好的粘结性、可塑性、抗盐性、耐酸碱性和热稳定性。（六）人工改性1.超细加工：超细加工可降低纤维的细度，提高比表面积，从而改善吸附性、流变性及催化性能。2.热活化处理:可增加表面积，提高机械性能和表面氧化能力。3.酸活化处理：可增加表面积，提高吸附性能。4.有机活化处理:借助坡缕石晶体表面负电性、孔道结构、OH键及破键等与有机表面活化剂相互作用而形成有机衍生物，从而改善其亲水、亲油性和脱色能力。三、坡缕石的应用（一）钻井泥浆原料1.坡缕石是目前最好的钻井泥浆原料，广泛用于地热、盐类地层、石油及海洋钻探中。2.坡缕石晶体微细的纤维状、针状形态，在水中很容易分散，形成毛毡结构的悬浮体——这种悬浮体触变性好，热稳定性好（400℃时仍很稳定），性质不因盐度改变而变化。3.泥浆中加入2~3%的坡缕石粘土，即可获得理想的使用效果。4.质量标准(美国石油公司材料学会规定)：粉末能自由流动，不结块，易在盐水中分散。水分含量不超过15%，200目筛上残余量不超过8%。（二）稠化剂和稳定剂1.坡缕石在水基和含油树脂漆中用作增稠剂，可起到均匀化和防凹凸作用。2.作乳胶漆增稠剂，可使漆保持良好的触变性能，形成的漆膜厚薄均匀。3.作涂层材料，其遮盖力强，光泽好，耐摩擦冲洗，抗剥皮、抗风化和抗凹陷性好。4.制作隔热涂料，具有耐冻结-融化、稳定性好等特点。5.作润滑脂的稠化剂，既耐高温，也抗低温。6.可用在乙醇、异丙醇、辛醇、酮、醚、脂、亚麻油、大豆油、蜡油及液体聚酯的稠化剂。7.稳定剂:坡缕石能有效防止多元水体系中固相和其它不稳定相的沉淀和分离，可用作液体肥料、农药乳剂、化妆品、膏剂等稳定剂；8.分散剂:可用作化妆品、石墨粉剂、树脂粉剂、农药粉剂中的分散剂。（三）吸附剂、脱色剂、净化剂、过滤剂1.分子筛效应:坡缕石的晶体形态和结构特点决定了它具有良好的分子筛效应。2.可以吸附水和气体组分，对有机物也具有很高的吸附力，尤其是对乙烷、苯、甲醇等有机物有更强的吸附性。3.可用于树脂、沥青、磺酸盐等高分子化合物的脱色。4.可用于石油、动物油、植物油、粮食、脂肪、醋、酱油、酒类、右旋糖浆、维生素和水的脱色、净化和过滤。5.用于硫醚、工业废气、有机磷、白喉毒素、黄曲霉素、细菌、生物碱等有毒、有害物质的吸附净化。6.环境保护方面:坡缕石可用来净化生活污水、工业污水、固体废物及有毒气体，特别是处理含放射性元素的废水、废物和气体，具有永久性处理、减少再次污染的特点。7.作为家畜家禽饲养的消毒净化剂和饲料添加剂，可有效除臭、消毒、杀菌、杀虫、吸水干燥、保存畜肥养分等作用。8.可用作土壤改良剂和农药、化肥的吸附载体。9.与活性炭混合，是一种理想的香烟过滤嘴原料，能选择吸收多种有害健康的极性气体化合物。（四）催化剂1.坡缕石粘土既是催化剂，也可作为Pt、Ni、Cu、Co等贵金属和多种金属离子催化剂的载体。2.在特种纸（如压敏复写纸、印刷纸、复写接受纸）的制造中，坡缕石也是良好的催化剂载体和吸附剂。（五）粘结剂和密封剂1.坡缕石可代替膨润土作为冶金球团的粘结剂；2.可作型砂、矾土颗粒、分子筛、化妆品、去污粉的粘结剂。3.以坡缕石为添加剂制成的密封材料，有极好的热稳定性和储存寿命——适用于汽车无凹陷密封件和玻璃密封件的密封。（六）填料和调节剂1.坡缕石可作为橡胶、塑料、纸张的填料——以改善制品的强度、弹性、热稳定性等性能。2.坡缕石附着力强、无毒、体积密度小，用作肥料、化学药品、树脂类产品的调节剂，既可起到防粘连、防胶结、防结块的作用，也可防止某些有效组分的损失。3.与芒硝配合，可成为较理想的储热材料；4.可制成灰泥板和耐压强度很高的水下混凝土构件，还可作为高镁耐火材料的耐火高温涂层；5.用于制造化工搪瓷工业中白度高、坚固性好、耐酸性好的珐琅。用石英、长石、硝石、碳酸钠以及铅和锡的氧化物烧制成的釉。涂在铜器和银质器物上，用来制造景泰蓝、证章、纪念章等。