不同性能的膨润土的介绍及应用领域

膨润土是一种片层结构的硅酸盐，主要成分是蒙脱石，其层间的阳离子易被交换，具有很大的离子交换容量。膨润土是一种具有多种用途的非金属矿物，享有“万能”黏土之称。根据蒙脱石层间可交换阳离子种类、含量将膨润土划分为钠基膨润土、钙基膨润土、镁基膨润土和铝(氢)膨润土。本文主要对不同性能的膨润土进行介绍，主要包括性能、方法及应用领域。

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膨润土的概述

膨润土是一种片层结构的硅酸盐，主要成分是蒙脱石，其层间的阳离子易被交换，具有很大的离子交换容量。“膨润土”源自于美国怀俄明州黏土产地的地名，同时也叫做“斑脱岩”或者“膨土岩”。质纯的膨润土较罕见，大多数含有不等量的杂质，如石英、长石、云母、沸石、黄铁矿等。膨润土通常为白色，也有浅灰色、乳酪色、浅红色、肉红色、砖红色、褐红色、黄绿色、黑色、斑杂色等，呈油脂光泽、蜡状光泽或土状光泽，贝壳状或锯齿状断口。

膨润土由于具有良好的物理化学性能，素有“万能黏土”之称，可做黏结剂、悬浮剂、触变剂、稳定剂、净化脱色剂、充填料、饲料、催化剂等，广泛用于冶金、石油、铸造、食品、化工、环保及其他工业部门[1]。

蒙脱石含量一般在65%以上，因此它的性质决定了膨润土的性质。蒙脱石的主要成分为二氧化硅三氧化铝，并含有少量的镁、钙、钾、钠、铁等离子，其化学式为：(Na,Ca)0.33(Al,Mg,Fe)2[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O。它的结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2∶1型晶体结构。

膨润土的化学成分

膨润土主要是由二八面体的蒙脱石-贝德石组成，兼有伊利石、高岭石、绿泥石、埃洛石等其他矿物组分。众所周知，蒙脱石的含量能够代表膨润土的品位。文献表明蒙脱石单位半晶胞结构通式为：

从晶胞结构可知，它呈现2:1型层状硅酸盐特性，结构单元层是由Si-O4四面体中间夹一个AlO4(OH)2八面体构成。每一个四面体顶端的氧原子都指向结构层的中央并和八面体共有。

膨润土按照它的层间阳离子种类可将其分为钙基、钠基、锂基和氢基膨润土。目前勘探发现的膨润土90%以上属于钙基土，蒙脱石含量在65~90%之间，杂质主要存在少量石英、长石、云母、高岭石、绿泥石、方解石及有机物等。其主要的矿物化学成分为氧化硅、氧化铝、水以及少量的三氧化二铁、二氧化锰、氧化镁、氧化钙、氧化钾、氧化钠、二氧化钛等。但是膨润土的产地和地质会直接影响它的矿物成分和化学性质，也决定着膨润土的物化性质和应用范围[2]。

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膨润土的分类

根据蒙脱石层间可交换阳离子种类、含量将膨润土划分为钠基膨润土、钙基膨润土、镁基膨润土和铝(氢)基膨润土。膨润土的层间域是其结构片层之间的距离。因为层间域具有层间交换、层间聚合、层间柱撑和层间吸附等优势被用作环境吸附材料。膨润土的分类根据层间阳离子的类型和数量决定。若层间以钠离子为主，该膨润土属于钠基膨润土；若层间以钙离子为主，该膨润土属于钙基膨润土。膨润土的种类决定其层间距，膨润土层间距一般为0.96~2.14nm，钙基膨润土的层间距大概为15nm；钠基膨润土的层间距大概为1.2nm[3]。

钠基膨润土和锂基膨润土的化学组成

近年来，通过柱撑、离子交换等方法调节膨润土的层间距，改变其性质来制备功能材料已经成为各领域的研究热点。

郭广思[6]等在钠基膨润土对铝矾土涂料性能的影响一文中，采用铝矾土和滑石粉为耐火骨料，钠基膨润土和CMC为复合悬浮剂，六偏磷酸钠和水玻璃组成粘结剂，以水为载体，加入适量的消泡剂和表面活性剂。CMC加入量为0.5％，水玻璃为5％，六偏磷酸钠为6％（各成分加入量均为占耐火骨料的质量分数）。改变钠基膨润土的加入量，测试涂料的密度、pH值、粘度、悬浮性、流平性、涂挂量、滴淌性和强度等性能，研究钠基膨润土对涂料性能的影响。试验发现，钠基膨润土加入量为5％时，涂料具有最佳的综合性能。

钙基膨润土的理化性质

钙基膨润土XRD图（左）和SEM图（右）

左边是钙基膨润土的XRD图，分析可知，其主要成分为蒙脱石(Na,Ca)0.3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·xH2O和皂石Ca0.2(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·4H2O及SiO2。

右图是钙基膨润土的SEM图，由分析可知钙基膨润土呈片状结构，呈无规则分布，粒径分布很不均匀，无特定形状。

蒋磊[7]在新型钙基膨润土接地复合材料的降阻与防磨研究对常用的金属系和碳系导电颗粒和市场上常见的缓蚀剂进行预选，而后利用正交实验确定钙基膨润土接地复合材料的各组分的最佳质量分数，并对钙基膨润土接地复合材料的主要指标性能进行检测，并对其进行模拟埋片实验和保水性实验，研究结果表明：

在钙基膨润土中掺杂不同质量分数的Zn、Fe、Al、石墨、炭黑、碳纤维，结果表明：随着导电颗粒的质量分数增加，电阻率逐渐减小而后趋于一个稳的值；导电颗粒的密度、粒径、分散性及轴径比对复合材料的电阻率有很大的影响；

在钙基膨润土中，亚硝酸钠、钼酸钠、硅酸钠、铬酸钠、硼酸钠、多聚磷酸钠和磷酸钠对Q(屈服点(σs)为MPa的碳素结构钢)都具有较好的防腐性能；综合考虑防腐性能和环保及经济效应等因素，最后确定钼酸钠、多聚磷酸钠作为钙基膨润土中适用的缓蚀剂；通过正交实验研究，确定钙基膨润土接地复合材料各种质量分数的最佳工艺方案为：碳纤维2.5%、石墨9%、多聚磷酸钠1.5%、钼酸钠1.5%、导电水泥40%、钙基膨润土45.5%；对Q的腐蚀速率较低，大小为0.mm/a，腐蚀产物为FeO(OH)、Fe2(CO3)(OH)、Ca2.8、Fe8.7Al1.2Si0.8(OH)、Fe2O3、Fe3O4；保水性实验表明：含水量对复合材料的保水性影响较小，而温度对保水性的影响较大，当温度为30℃复合材料的保水性最佳；其主要指标检测指标均满足电力行业对降阻剂的要求。

胡洋[8]在膨润土改性及其对水泥基材料渗透性的影响一文中，研究了不同种类的膨润土原材料、加热温度、不同改性剂种类以及浓度对膨润土镁化改性的影响。结果表明，利用钙基膨润土改性时，温度越高，钙基膨润土镁化的程度越大；利用钠基膨润土经改性试验时，在常温条件下能够实现向镁基膨润土的转化。

一般来说，改性剂中的Mg2+的摩尔浓度在0.5mol/L时就能满足膨润土镁化的需求，其中，使用硫酸镁为改性剂能够更大程度地生成镁基膨润土。对改性前后的膨润土进行分析，钙基膨润土以及改性后得到的镁基膨润土层间离子引力作用大，能够吸附较多的水分子、微观层状结构较为致密且吸水能力较弱，而钠基膨润土层间离子电荷引力作用较小，吸附水分子数量少、微观层状结构较疏松且吸水能力强。

另外，文章中还研究了钙基膨润土、钠基膨润土以及改性后的镁基膨润土对砂浆工作性能、强度性能、抗渗透性能的影响，并结合SEM/EDS、MIP测试分析，探究了改性前后膨润土提高砂浆防水抗渗透性能的作用机理。

将硫酸镁、硝酸镁分别溶于超纯水中配制成不同浓度的改性剂溶液备用。再分别将Ca基膨润土、Na基膨润土与配置好的的改性剂溶液按1:20的比例混合，之后置于磁力搅拌器上，在r/min的搅拌速度下设置不同的搅拌温度搅拌6h。最后，将加热搅拌完成的膨润土浆体过滤，并于℃烘干，粉碎磨细即可得到改性的Mg-膨润土。

盛楷[9]在微波法制备铝基柱撑膨润土及吸附性能研究，以辽宁某地的钙基膨润土为原料，对其进行钠化改性后为载体，采用微波法制备铝基柱撑膨润土、铁铝柱撑膨润土、锆铝柱撑膨润土，然后用多种测试手段对柱撑后的膨润土进行表征，并探讨其对模拟染料废水的吸附最佳条件。

03

膨润土的应用领域

邵红等采用六水氯化铝与十二烷基硫酸钠复合改性膨润土，制备出了具有较高吸附性能的改性膨润土，当用量为3g、搅拌时间为20min、搅拌速度为r/min、氨氮废水浓度为mg/L时，氨氮去除率达88．41%。孟海玲采用高效微波辐射法，分别以硫酸铁和硫酸铝为改性剂，制备了硫酸铁改性钠基膨润土和硫酸铝改性钠基膨润土，两种改性土的孔隙、层间距和比表面积均显著增大，吸附性能明显提高，两种改性膨润土对水中磷的去除率均在98%以上[4]。

膨润土防水毯是膨润土颗粒按照一定质量要求均匀平铺在两种土工织物之间，通过针刺等工艺制成含有微小空隙的一种复合型防水材料，土木织物主要起保护作用。膨润土防水毯主要利用膨润土遇水膨胀的原理，防水毯内所用的纳基膨润土遇水可膨胀至少几十倍，依靠针刺纤维把膨润土锁定在两层土工布之间，形成黏性高且水力渗透系数很小的均匀密实胶体系统，可以有效防水。

膨润土防水毯在20世纪80年代末首次应用于垃圾填埋场、地下车库、人工湖泊等众多工民建工程的防渗。实践证明，膨润土防水毯已得到较广泛的应用。现在膨润土防水毯作为工程的防渗材料已被全世界认可[5]。

膨润土防水毯目前主要有三种类型，使用的原料是钠基或者钙基膨润土，只是制作方法不太一样。

膨润土防水毯用于各个领域中的防水防渗。主要解决各个工程的防水防渗问题。在垃圾填埋场使用，利用膨润土防水毯的防渗和加固功能；在水利工程中使用，膨润土防水毯不但可已提高灌渠的防渗作用，还可以加强大坝、河堤的强度，减轻水土流失，解决大堤发生管涌的隐患；地铁工程的应用，主要利用膨润土防水毯的防水防渗，防止地下建筑物被水渗透，造成经济损失，提高地下工程的使用寿命；在金属尾矿库使用，主要是防止金属离子长时间存放，渗透到周围岩石和水中，造成不必要的环境污染和危害人类健康等问题；在矿山、人工湖、隧道、游泳池等处，可以提高防水的可靠性和耐久性。

膨润土—水泥浆体防渗墙，就是用普通硅酸盐水泥、膨润土、水按一定的比例配置而成的浆液体灌入预先打好的槽内而形成了一种具有良好抗渗透性能的防渗墙。从上个世纪50年代开始，欧洲国家利用水泥—膨润土垂直防渗透墙技术来阻止被污染地下水的扩散，随后又将该技术推广到水库大坝、湖泊甚至重金属废弃物或者高放废物的填埋处理中，然而，地下水环境中的化学成分以及污染物质会与水泥-膨润土固体产生相互反应，这将对墙体的渗透性能和强度性能造成很大的影响。

此外，膨润土还可以制成膨润土胶泥以及膨润土止水条以便应用于施工缝或者预制构件接缝处的防水处理。

小结膨润土是我国储量丰富的一种粘土矿物，主要成分为蒙脱石。具有良好的物理化学性能，素有“万能黏土”之称，可做黏结剂、悬浮剂、触变剂、稳定剂、净化脱色剂、充填料、饲料、催化剂等，广泛用于冶金、石油、铸造、食品、化工、环保及其他工业部门。随着现今应用领域的扩大，膨润土的研究也在不断更新。

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