科普中國-蒙脫石

蒙脫石(Montmorillonite)是由顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構成的層狀礦物，也稱膠嶺石、微晶高嶺石。它是由火山凝結巖等火成巖在堿性環(huán)境中蝕變而成的膨潤土的主要組成部分。1

蒙脫石屬單斜晶系，TOT型，二八面體型結構。分子式Ex(H2O)4{(Al2-x,Mgx)2[(Si,Al)4O10](OH)2}，式中E為層間可交換陽離子，主要為Na+、Ca2+，其次有K+、Li+等5。蒙脫石主要由基性火成巖在堿性環(huán)境中風化而成，也有的是海底沉積的火山灰分解后的產物4。

利用其陽離子交換性能制成蒙脫石有機復合體，廣泛用于高溫潤脂、橡膠、塑料、油漆；利用其吸附性能，可用于食油精制脫色除毒、凈化石油、核廢料處理、污水處理；利用其吸水性和吸水后機械性能改變，還可做砂粘結劑、貓砂、膨潤土、膨脹劑等；在醫(yī)藥中應用廣泛，可以做醫(yī)藥載體，起控釋劑功效，起到止瀉功效，市售常見止瀉藥藥品“蒙脫石散”主要成分即為蒙脫石。4

形成

蒙脫石是常見的黏土礦物之一，其英文名稱Montmorillonite得名于法國的一處地名，主要形成于海相或陸相沉積環(huán)境，是各種鋁硅酸鹽礦物的風化產物，在堿性條件下經熱液蝕變或沉積變質作用也可形成蒙脫石。常見于現(xiàn)代土壤和海洋沉積物中。7

分布情況

膨潤土的主要成分是蒙脫石，蒙脫石的含量直接決定了膨潤土的工業(yè)價值，當膨潤土中蒙脫石含量超過80%時即可稱為蒙脫石。膨潤土在世界范圍內資源豐富，其中儲量排名前三位的國家依次是中國、美國和俄羅斯，三者的膨潤土礦探明儲量約占世界探明儲量的80%9。世界蒙脫石資源豐富，美國、格魯吉亞、土庫曼斯坦是生產大國。著名產地有美國的懷俄明、明尼蘇達，格魯吉亞的阿斯坎，土庫曼斯坦的奧格蘭雷，意大利的撒丁島，希臘的米洛斯島等。中國主要產地有河北宣化，內蒙古赤峰、興和，江蘇句容，浙江臨安、安吉，安徽屯溪、嘉山，湖南澧縣，新疆托克遜，遼寧黑山，吉林九臺等地。6

形態(tài)

蒙脫石主要由基性火成巖在堿性環(huán)境中風化而成，也有的是海底沉積的火山灰分解后的產物。蒙脫石為膨潤土的主要成分。膨潤土在我國產地很多，如遼寧、黑龍江、吉林、河北、河南、浙江等地都有產出。我國具工業(yè)價值的蒙脫石礦床多產于中生代火山巖系中。

一般說蒙脫石外觀形態(tài)多是說膨潤土原礦，膨潤土原礦常呈土狀隱晶質塊狀，電鏡下為細小鱗片狀，一般說蒙脫石的微觀形態(tài)多是說蒙脫石的晶體結構。

晶體結構

單斜晶系；C32h-C2/m；a0=0.523 nm，b0=0.906 nm，c0=0.96～2.05 nm之間變化。如鈣蒙脫石層間為一個、兩個、三個、四個水分子層時其c0值分別為0.96 nm、1.25 nm、1.55 nm、1.85 nm、2.05 nm；β近于90°。TOT型，二八面體型結構。

理化性質

物理性質

蒙脫石由于晶體結構中鐵、鈣、錳、鈉等離子含量變化而呈現(xiàn)磚紅色、白色、深紫色、淺灰白色、淺粉白色、淺綠色等多種顏色。摩氏硬度2～2.5，比重2～2.7，非常柔軟，有滑感3。蒙脫石屬單斜晶系，TOT型，二八面體型結構。

陽離子交換性

陽離子交換性是蒙脫石最重要的性能之一。蒙脫石層間吸附的陽離子具有可交換性，這些陽離子的總量稱為“陽離子交換量”(CEC)。在水介質中，其它交換性陽離子和水分子能進入層間，這個過程是可逆的。利用蒙脫石的陽離子交換性對其進行改性，可以制備鈉基膨潤土、鋰基蒙脫石、活性白土、柱撐蒙脫石、有機蒙脫石等各類產品。9

吸水膨脹性

蒙脫石結構中含有大量的羥基，親水性強，吸水膨脹特征顯著。蒙脫石的膨脹主要是基于層間陽離子的水化，吸附水分子形成水化膜，使層間距增大而發(fā)生膨脹。蒙脫石的水化膨脹主要包括三個階段:

(1)表面水化：在蒙脫石結構的表面和端面存在大量的不飽和斷鍵,如Si-OH、Al-OH等，它們可以通過與水分子形成氫鍵，或通過吸附的可交換陽離子吸附水分子。

(2)離子水化：層間交換性陽離子水化形成水化陽離子。

(3)滲透水化：層間距增加到一定程度后，由于晶層內外離子濃度差引起滲透壓差，水分子進入層間，陽離子擴散到水中，形成雙電層，產生斥力，使層間距增加，引起膨脹。

上述三種水化方式中，以后兩種為主。910

分散懸浮性

由于蒙脫石層間結合力弱，水分子容易滲透進入片層間，使層間距增加，片層分散剝離，水化后的顆粒以少量晶胞聚集、或單位晶胞或晶層平行疊置的形式存在。在水介質中，由于蒙脫石顆粒均帶負電，彼此排斥，在低濃度時難以形成大的顆粒聚集體，從而具有良好的懸浮性，可用作懸浮劑，一般懸浮性隨PH值增大而增強，堿性條件下比在中性和酸性條件下更好。9

增稠性

蒙脫石與水混合時,表面水化能及陽離子水化能大于層間引力,使蒙脫石體積膨脹,形成獨立的片層。在蒙脫石片層的棱邊,由于鋁氧鍵和硅氧鍵的斷裂,使得片層端面帶正電荷,可以吸引表面的負電荷,邊與面相互締合成體積龐大的三維網絡結構。將水分子、乳液粒子等包裹隔離,使其運動阻力增大,從而達到增稠效果。隨著時間的延長,這種膠體結構趨于穩(wěn)定。當施加剪切力時,膠體結構被破壞,相互吸引的片層又分散開,微粒運動的阻力減小,體系粘度降低。帶電粒子如分散劑六偏磷酸鈉等的加入,可以吸附在蒙脫石端面,中和邊緣正電荷,從而破壞“卡片宮”結構的穩(wěn)定性。加入正電荷,可以中和酸根陰離子,恢復端面正電荷,重新形成膠體結構,粘度進一步增加。9

觸變性

蒙脫石膠體是一種非牛頓流體，粘度隨剪切速率或時間而變化。在剪切力作用下，蒙脫石膠體的連續(xù)三維空間網絡結構易被破壞，片層又重新分散，體系粘度降低，膠體開始流動，具有剪切稀化特性；當粘土體系受到恒定的剪切速率時，隨著膠體結構的破壞，粘度隨時間降低，直至達到平衡粘度。當撤掉剪切力時，靜置條件下，隨著時間的延長，氫鍵恢復，分散的片層由于正負電荷吸引，又逐漸締合成立體網狀結構的凝膠，體系粘度增加，這種膠體結構破壞又恢復的過程是可逆的，稱為蒙脫石的觸變性，可用同一轉子在旋轉速度10R與R下的粘度比值來表示觸變指數(shù) TI。9

穩(wěn)定性

蒙脫石是一種天然無機礦物材料，具有良好的穩(wěn)定性，耐候性好。

(1)化學穩(wěn)定性好

蒙脫石不溶于水和各類溶劑，常溫下不被還原、氧化，耐pH范圍廣，其結構不易受到酸、堿、鹽等的影響，與有機陰離子、醇類溶劑等的相容性好。9

(2)熱穩(wěn)定性好

脫羥溫度是評價蒙脫石耐熱性能的尺度，反映出其熱穩(wěn)定性的優(yōu)劣。蒙脫石的脫羥溫度一般為550℃-750℃，這一溫度下結構羥基被脫除但層結構未被破壞，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。11

(3)生物穩(wěn)定性好

蒙脫石不受細菌、微生物等影響，其懸浮液在濕熱條件尤其是在潮濕環(huán)境或夏季30-40℃高溫條件下放置，不易發(fā)霉變質，不會出現(xiàn)像纖維素、黃原膠等有機增稠劑一樣酶解、發(fā)臭和粘度降低現(xiàn)象，防腐抗降解性能優(yōu)越。9

提純方法

膨潤土的提純方法很多，依據提純工藝可分為干法和濕法兩種。

1）干法：

干法就是將已磨至一定細度的膨潤土原礦和空氣充分混合成流態(tài)化，在分級輪離心力和風機抽力的作用下，大部分粗顆粒和比重大的顆粒與細粒礦物相分離的提純工藝。

2）濕法：

濕法提純時，水介質為蒙脫石層間膨脹與水化提供了足夠的空間與動力，通過攪拌、添加分散劑，蒙脫石膠粒粒級將更小，從而更容易地與不能達到膠體粒級的雜質礦物實現(xiàn)分離。8

依據分離原理可分為物理方法和化學方法提純。

1）物理提純法：

物理提純法有風選法、重力淘洗法、離心法、旋流分級法、磷酸鹽法、超聲波振蕩法、電泳法、絮凝法等。根據膨潤土品位和產品純度的要求，通常需要聯(lián)合使用幾種方法。要根據膨潤土的品位和應用要求，如高品位(蒙脫石含量在80%左右)的膨潤土可采取風選法提純；低品位的膨潤土則采取濕法提純；含有長石、方解石等粗顆粒雜質的膨潤土可采用重力淘洗法提純；對于那些粒度與蒙脫石相近或者包裹在蒙脫石里面的雜質需化學方法除去，而在醫(yī)療、食品上使用的膨潤土一般不能用化學法提純。7

2）化學提純法：

化學提純法又可分為化學離心提純法和鈉化離心提純法。前者在離心提純法的基礎上加入了分散劑，通常為磷酸鹽，蒙脫石端面吸附磷酸根離子，使形成膠體結構的有效片層數(shù)量減少，負電荷增加，片層間排斥作用加強，體系粘度降低，使微細粒雜質礦物暴露出來，在重力作用下更易在水中沉降，再通過離心達到與蒙脫石分離的目的。相比離心提純法，它改善了蒙脫石和雜質礦物的夾雜包裹狀態(tài)，但是沒有提高鈣基蒙脫石的懸浮分散性，因此所得蒙脫石的純度更高，但產率更低。后者在前者的基礎上增加了原料預處理工藝，將鈣基膨潤土改性為鈉基膨潤土后再進行離心提純，提高了蒙脫石的分散懸浮性，漿液中細顆粒蒙脫石增加，在提高純度的同時增加了產率。12

紅外特征

加水膨脹為其特征。確切鑒定需結合X射線分析、熱分析、化學分析和紅外光譜分析技術等。

紅外光譜分析技術分析蒙脫石數(shù)據如下：

主要用途

利用其陽離子交換性能制成蒙脫石有機復合體，廣泛用于高溫潤脂、橡膠、塑料、油漆；利用其吸附性能，用于食油精制脫色除毒、凈化石油、核廢料處理、污水處理；利用其粘結性可作鑄造型砂粘結劑等；利用其分散懸浮性用于鉆井泥漿。由于鈉蒙脫石的許多性能優(yōu)于鈣蒙脫石，因而常利用蒙脫石的陽離子交換性能，進行改型處理，將鈣蒙脫石改造成鈉蒙脫石。蒙脫石在醫(yī)藥中應用廣泛，可以做醫(yī)藥載體，起控釋劑功效，在醫(yī)藥領域有成熟產品蒙脫石散，幾乎成為了蒙脫石的代名詞，起到止瀉功效。蒙脫石在畜類（豬，兔）養(yǎng)殖中有很好應用，尤其是仔、乳豬的黃白痢，小兔的拉稀，起到預防功效，鑒于蒙脫石的特性，還能作為最優(yōu)秀的飼料脫霉劑的首選。蒙脫石作為飼料輔助添加劑，憑借其自然性狀和復合功能，在國外已廣泛應用于家畜家禽的飼養(yǎng)。在美國，用蒙脫石作動物飼料占總消耗量的2.14%，在亞美尼亞已占5.47%，它不僅可通過離子交換補償動物所需養(yǎng)分，提高畜禽生產性能，而且可以調節(jié)動物體內CP流動，對預防消化道疾病有一定作用。