1. 中国凹凸棒石粘土开发应用技术研究现状及展望
刘昌寅
（苏州中材非金属矿工业设计研究院，江苏苏州 215004）
摘要 我国凹凸棒石粘土（凹土） 在江苏、安徽、甘肃等14个省区都有分布。 凹土中的凹凸棒石含量决定着其工业意义，可通过XRD、特征元素化学成分检验以及TEM法、SEM法检定。在对凹土提纯的基础上，通过对其焙烧、酸活化、重铵盐、偶联剂改性等，可扩大其工业应用范围，国内已有纳米材料，吸附、胶粘、催化系列等方面的产品面世。本文同时指出，改性将是高效利用我国凹土的必要前提。
关键词 凹凸棒石粘土；活化；改性；应用。
作者简介：刘昌寅，男，《非金属矿》编辑部主编，编审。电话：0512-68272696，E-mail：[email protected]。
凹凸棒石粘土因所含主要成分凹凸棒石的特殊纤维结构、不同寻常的胶体、吸附和脱色等性能，被广泛应用于化工、轻工、农业、纺织、建材、地质勘探、铸造、硅酸盐、制药、原子能工业以及环保等领域。
我国自1976年在江苏六合小盘山首次发现凹凸棒石粘土（凹土）矿之后，相继在全国14个省区发现矿点，近年来在河北、山西和甘肃等地都发现了凹土矿；尤其是在甘肃中、西部发现的大型凹土矿，远景储量可能达到10×108t。据甘肃省地矿局调查显示，仅临泽县的凹土资源储量，就达到了目前世界上其他国家总和的10倍左右。江苏盱眙凹土资源的探查也取得了重大突破，全县凹土储量已达4.5×108t。我国已探明凹土矿储量完全能满足目前工业生产的需求，与世界各国相比，也具有较明显的的优势。
目前，我国凹土的产量尚无全面的统计资料。仅以江苏盱眙一地为例，2004年已达18×104t。其中胶黏剂、植物油脱色剂的产量已超过5×104t。
我国凹土矿开发研究时间不长，多数矿石品位低，选矿及加工方法简陋，产品有结构单一、适用范围窄等不足，所以开发这种凹土资源，尤其是制备高质量的凹土产品具有巨大的潜力。
一、凹凸棒石特性
凹土中凹凸棒石的含量对其工业应用具有决定意义。自然界纯凹凸棒石矿是没有的，常伴生有其他杂质，因此在选矿提纯、确定其工业应用时，正确确定凹土中凹凸棒石的含量十分重要。
（一）凹凸棒石的矿物特性
凹凸棒石（attapulgite），又名坡缕石（palygorskite），是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的粘土矿物。理论化学式为 Mg5Si8O20（OH）2（OH2）4·4H2O。其理想化学成分质量分数为：SiO2，56.96%；（Mg，Al，Fe） O，23.83%；H2O，19.21%。其矿物结构分为3个层次：①基本结构单元为棒状或纤维状单晶体，棒晶的直径为0.01μm数量级，长度可达0.1～1μm；②由单晶平行聚集而成的棒晶束；③由晶束（包括棒晶）相互聚集堆砌而成的各种聚集体，粒径通常为0.01～0.1nm数量级。结构中含有4种形态的水：表面吸附水、晶体结构内部孔道中的沸石水、位于孔道边部且与边缘八面体阳离子结合的结晶水与八面体层中间的阳离子结合的结构水。从热失重分析可知，各自质量分数大约为7%、3%～4%、5%～6%。在不同温度下加热凹凸棒石，脱出晶体结构中不同状态的水，使其杂乱堆积的针棒状团变得疏松多孔，增加孔隙容积和比表面积。当温度超过350℃时，凹凸棒石的孔结构会发生塌陷，到600℃时，纤维结构就会被完全破坏。
（二）凹凸棒石的检测
1.鉴定
凹凸棒石在红外光谱中有明显异于其他矿物的吸收峰，沸石水和吸附水的弯曲振动分别在1595cm-1和1635 cm-1，伸缩振动分别发生在3385 cm-1和3315 cm-1，Si-OH伸缩振动的吸收发生在3731 cm-1和3710 cm-1，和Mg2＋相连的-OH的吸收峰在3670 cm-1、3645 cm-1、3610 cm-1、3590 cm-1和3532 cm-1，同时还可参照凹凸棒石的XRD标准图谱来判断。图1 为纯凹凸棒石XRD的JCPDS标准卡片21-0958号的图谱，（110）面的峰最大，其2θ 角位于8.5°的位置，若其他2θ角基本对应，表明所测矿物中应有凹凸棒石。
图1 纯凹凸棒石的XRD标准图谱
2.含量检测
凹凸棒石含量检测主要有以下几种方法：①XRD检验。内插标样X射线粉晶衍射（XRD）分析法，是目前较为准确、简便的粘土矿物定量分析方法。该法通过系统测定稀释后的凹凸棒石（110）衍射峰和刚玉（113）衍射峰的积分强度比，来确定粘土中凹凸棒石的量。②特征元素化学成分检验。凹凸棒石理论化学式中的Mg元素，在非凹凸棒石矿中一般不含或者含量极低，所选原矿经提纯通常不包含白云石组分，所以Mg元素可在定量分析中作为分析的特征元素。Mg元素的含量也可通过原子吸收光谱法来测定，从而间接得到凹凸棒石的含量。③TEM法、SEM法检验。可通过观察样品的显微结构，即样品的晶形、晶貌及大小得到样品的体积分数。一般SEM的解析度比TEM要低，准确度较差些。从这两种电镜分析得到的都是半定量的结果。以上3种方法各有利弊。通过不同方法的联合使用，可使凹凸棒石含量的检验达到较高的准确度。
二、凹土的选矿提纯
我国已探明凹土矿多数矿床品位较低，多数矿床凹凸棒石平均含量不高，大部分品位在50%以下。
常见的矿石类型有以下几种：①凹凸棒石型；②蒙脱石型；③凹凸棒石＋蒙脱石型；④白云石＋凹凸棒石型；⑤白云石＋凹凸棒石＋蒙脱石型；⑥蛋白石＋凹凸棒石＋白云石型。
凹土选矿技术主要有干法和湿法两种。干法工艺流程简单，提纯效果不能明显提高凹土的品质。此法只适用于原矿品位好、凹凸棒石含量高的矿石。湿法提纯虽效果好，但需要大量的水，提纯后还要进一步脱水、干燥、研磨，成本相对较高，故湿法产品主要用于对凹土纯度要求较高的行业。其主要工艺路线可概括为：原土分散（加分散剂，机械搅拌＋超声处理）→分散体系分离分选（沉降，除去杂质和不溶物）→胶体浓缩干燥（压滤，真空干燥）→凹土产品。
凹土的湿法提纯过程中，工艺中有两个较为关键的问题。
首先是凹土的分散问题。通过对凹土进行水化和强力剪切作用，拆散凹凸棒石原始晶束与聚集体，形成细小的晶束与棒晶，并且在高水分浓度的情况下又不易折断。干燥后得到的凹凸棒石的结构有了较大的变化，首先是晶束变得细长，晶束之间松散交错，形成了大量架空的孔洞。这既可方便选矿提纯过程的进行，也方便了今后凹土的改性处理。
制备凹土水悬浮液时，可在超声波搅拌下，使凹凸棒石很容易在分散介质中分散成细小的晶束或棒晶，从而使其胶体性能有很大的改观。
湿法提纯的另一个关键，在于如何找到一种高效的分散剂。由于凹土的膨胀性、胶体性和高黏度给脱水干燥带来很大困难，在选择高效过滤设备的同时，应选择可保持凹土性质不变，并能满足应用对象的试剂，降低浆料的黏度。焦亚磷酸四钠、ZISP等都是较好的分散剂，能大幅度改善凹土的品质，通过EDTA、Na2CO3的处理和沉降分离，可获得凹凸棒石含量大于98%的高纯产品。目前有文献报道，最好的处理方法是在超声水热法纯化凹土的基础上添加少量分散剂六偏磷酸钠，可显著提高提纯效果，产品纯度接近100%。
三、凹土的深加工技术
（一）活化
1.焙烧活化
焙烧可脱去凹凸棒石中的吸附水、沸石水、部分结晶水、八面体中的结构水，造成晶格内部和沸石孔道中断键，增加活性中心。如前所述，凹凸棒石加热活化温度应控制在300℃左右，且活化时间不宜超过3h。这样既可保持凹凸棒石良好的晶体结构，又可大幅度提高其活性。
2.酸活化
酸化使凹土的物化性能改变，活性增强。凹土的酸化改性，可单用一种酸进行，也可多种酸混合使用。较常用的有硫酸、硝酸和盐酸等。在酸化过程中，不同的酸度对凹土的结构性能影响不同。低浓度盐酸活化时，纤维束间的解聚、非吸附性杂质（如碳酸盐矿物）粒间胶结物的分解是主要的，晶体比表面积的增加使得吸附力提高。凹土经不同浓度盐酸处理后，比表面积均会增加，即使使用1.0 mol/L盐酸处理，晶体的比表面积也会增加很多，其表面活性增强。高浓度盐酸处理时，在凹土八面体中阳离子被完全析出之前，凹凸棒石仍保持原来的晶体结构；当HCl的浓度达到7.0 mol/L时，八面体阳离子完全溶解，晶体结构塌陷，并转变为SiO2晶体，同时仍保持原凹凸棒石的纤维状结构形态，此时Si-OH表面官能团增多，增强了其表面性能。
又有报导称，用4 mol/L的硫酸、3 mol/L的盐酸和4 mol/L的硝酸改性的凹土，吸附重金属离子的能力最好，水溶液中重金属离子的去除率接近100%。
但到目前为止，尚未对各种酸改性效果进行过比较。实践中，宜根据使用的目的、被吸附物的不同，选择不同的酸进行活化改性。
（二）改性
作为天然一维纳米前驱体材料的凹凸棒石的改性，随纳米技术的涌现，而备受关注。
1.有机改性
1）表面活性剂改性。由于季铵盐阳离子主要通过离子交换吸附与凹凸棒石发生作用，生成凹凸棒石有机表面活性剂复合体，从而改善凹凸棒石的疏水性，也增强了它去除有机污染物的能力。曾经报道过的改性剂主要有：十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、乙醇胺、三乙醇胺等。
凹土的有机改性，常见的有下述方法。①混合搅拌法。此法工艺流程简单、操作容易，较常用。一定量的改性剂与凹土混合在40～80℃下水浴振荡，不断搅拌一定时间（一般为2 h左右），水洗、抽滤、干燥、研磨和过筛得到有机凹土。混合搅拌法易于实现工业化，但耗时较长，生产效率不高。②超声分散法。由超声波发生器发出的高频振荡信号，转换成高频机械振荡而传播到介质，并通过液体介质向四周传播。由于超声空化作用，更容易实现反应物均匀混合，消除局部含量不匀，提高反应速度，刺激新相的形成。用超声波改性凹土的原理与传统搅拌法相似，但是由于超声波的特殊性，无需机械搅拌，在常温下就能顺利进行，并且反应时间短（2 h）。有研究表明，经超声波有机改性的凹土，对苯酚的去除率可达酸处理凹土的80倍以上，是传统搅拌有机改性凹土的1.5倍。此法节能高效，且反应充分，但现阶段不适于大规模生产。
2）偶联剂改性。一般采用水解偶联剂法和喷雾浸渍法。偶联剂的用量取决于凹土的比表面积和偶联剂本身的分子量，反应在有水条件下进行。改性的先决条件是，偶联剂必须含有可供与矿物作用的Si-OH，即两者必须发生水解反应。
水解偶联剂法属于湿法，用硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）对凹凸棒石表面进行接枝改性。但需先将凹凸棒石均匀分散在95%的乙醇中，室温下0.5 h，再加入一定量的MMA和引发剂AIBN，65℃搅拌聚合2 h后，在乙醇回流温度下再聚合24 h，反应完后冷却、过滤、80℃烘干，得改性凹土。
喷雾浸渍法属于半干法。将一定量的改性剂溶液喷淋在高速混合机中的凹土上，干燥后即得改性凹土。此法简便易行，符合工业化生产要求，能充分发挥改性剂的作用。
必须指出的是，表面活性剂和偶联剂对凹土的改性虽有不同，但互有交叉。在改性过程中，也常采用混合方法。
2.其他改性
用质量分数为8%的氢氧化钠溶液改性凹土，改性后凹凸棒石的面网间距增大，改善了其吸附能力。对此种碱改性凹土在不同环境条件下对模拟核素Cs＋的吸附性能及平衡吸附时间都有研究，可为中低放核废物处置提供一定的参考依据。
凹土研磨粉碎时，凹凸棒石粒子表面被激活，能更好地与改性剂发生反应、附着。这种方法可把物理粉碎与化学表面改性相结合，省时、节能、操作方便，更适于工业化生产。
四、凹土的应用
目前，世界上主要凹土生产国是美国、法国、英国、印度、南非、土耳其和西班牙等国，产品主要应用于农业、环保、建材和医药等领域，并由原来的用于石油钻井泥浆发展到用于建材、陶瓷黏结剂、农药载体、宠物圈垫、工业吸附剂等方面上千种用途。
我国凹土矿发现时间较晚，总体利用开发现状跟国外先进水平相比还有一定的距离。市场上的产品品种单调，一般为高黏凹土粉、干燥剂、抗盐粘土、猫砂、活性白土等。近几年来在研发利用上也取得了一定的进展，开发的产品主要应用于化工、环保、建材、农业和食用油加工等领域，并初步形成了吸附、胶粘、药用、催化、纳米材料等几大系列产品。有些属于实验室产品，也有的已经工业化生产并用于生产实践中。进一步开发高技术含量、多样化的产品以满足不同行业的需求，仍将是我国凹土行业发展的方向。
（一）纳米材料
凹凸棒石是一种天然的纳米材料，常用作高分子材料的补强剂。只有在改善其在高聚物基体中的分散性和亲和性后，最终得到的才可能是纳米复合材料。
凹土经硅烷偶联剂处理后填充到聚丙烯中，材料的综合性能优于碳酸钙填充的材料；填充到硬质聚氯乙烯塑料中，使其力学性能、阻燃性能和耐热性能均得以提高。类似材料，尚有凹土聚苯乙烯复合材料等。
有机改性凹土在新型复合树脂的制备中，显示了潜在的应用价值。丁醛和苯甲醛改性凹土用于聚醚酮复合材料制备，发现它与基质的结合明显好；凹土聚烯烃热塑性弹性体（EOC）复合材料中，凹土的增强作用明显；聚丙烯酰胺与有机凹土复合树脂也是一种高性能的材料。
近年来，有关有机改性凹土在橡胶制品中的研究及应用较多，它可有效地提高橡胶的拉伸强度，可替代碳酸钙，部分替代炭黑，用于丁苯橡胶的制备，有良好的补强性能。此外，有研究报道了凹土填充丁腈橡胶和羧基丁腈橡胶后，使其力学性能得以改善等。
（二）吸附系列产品
凹土的吸附作用主要包括物理吸附和化学吸附。物理吸附的实质，是通过范德华力将吸附质分子吸附在凹凸棒石的内外表面。化学吸附主要有：①电荷不平衡引起的吸附，主要是通过不同价态的离子与晶体中的Mg2＋、Al3＋、Fe3＋发生交换，造成电荷不平衡，以及凹土表面电荷分布不平衡带来的吸附效应；②Si-O-Si中氧硅键的断裂，可与被吸附的物质形成共价键，产生较强的吸附能力。凹土可用作除臭剂、助滤剂、净化剂、脱色剂，对石油烃中的金属、硫和沥青等杂质，油脂、矿物油和植物油中的有色成分、有害成分（如苯酚等）和臭味，有很好的去除能力。对重金属如Cr3＋、Hg2＋有很好的吸附作用，改性后的凹土可用于处理印染、电镀、制革和造纸污水，对环保有重要意义。
（三）胶黏系列产品
凹凸棒石在水或其他强极性溶液中易于分散。在高剪切力作用下，黏度增大，触变性增强；在低剪切力作用下，悬浮液发生絮凝。在离子型或非离子型溶液中能有效形成触变凝胶；在大多数有机溶液中，当用各种阳离子或非离子表面活性剂分散时，也会触变凝胶，表现出增稠和悬浮液特性。
此类凹土产品也用于胶体泥浆、悬浮剂、触变剂和黏结剂等领域。凹土用作涂料添加剂，可避免存放期间颜料沉淀，使涂料的流变性好、涂层牢固，在无机盐等污染物存在下仍十分稳定；高温条件下表现出优越的热稳定性和抗盐性，是地热钻进、超深钻井和海洋钻井理想的泥浆原料。凹土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。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。此外，作为合成洗涤助剂、油漆触变剂、抗絮凝剂、液体洗涤剂、印花糊料、橡胶助剂、油墨助剂、杀虫剂助剂、高级农药载体，将是未来发展的方向。凹土聚丙烯酸钾高吸水复合材料的研制，为我国西部地区植物的抗旱保水做了有益的探索，应用前景广阔。
（四）催化系列产品
凹凸棒石晶体结构中存在直径0.6nm左右的孔道，可满足异相催化反应所需的微孔和表面特征。凹凸棒石矿物结构中由非等价阳离子类质同象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。凹土作为催化剂载体（Pt、Ni、Cu、Co等贵金属和多种金属离子催化剂的载体），广泛应用于脱金属、脱沥青、脱硫、脱硝、丁烯解聚和异构化作用等方面。凹土本身可作为催化剂使用，如用做印染污水处理和制备各种分子筛催化剂等。
（五）其他
凹土与芒硝配合，可成为较理想的储热材料；负载Ag＋可起到杀菌的作用。在国外，凹土口服制剂是一类很成熟的用于消化道疾病的OTC药品。在饲料行业，利用凹土承载性能好、粒度均匀、安全无毒的性质，可作为饲料添加剂使用，提供动物必需的微量元素。农业上可作为肥料的添加剂，有助于植物吸收土壤中的游离磷。凹土作为聚氨酯填充剂用于皮革行业中，也有相应的报道。
五、结语
江苏盱眙县“十一五”期间，凹土产业重点研究开发、攻关及建设规划中明确提出，不同矿石类型、品位凹土的选矿提纯工艺技术及产业化，不同矿石类型、品位凹土的分层开采技术，细—超细和纳米凹土加工工艺技术及产业化，不同系列产品凹土复合-配方工艺技术及产业化，不同系列产品凹土改型、改性工艺技术及产业化，不同凹土产品标准、测试技术方法及程序的建立等，是推动该县凹土产业发展的重要任务。纵观全国，我国凹土产业的发展也必将沿着这条道路向前迈进。
凹土的有机改性，是为了拓展其应用范围，目前正由实验室的研究逐步走向工业化生产。对有机改性土表面性质的认识深化、改性剂的选择、有机土在基体中的分散性及两者的相容性的研究，正在引起矿物、材料、化学等领域科技工作者的重视；同时，不同应用领域对有机凹土产品的要求不同，特别是在高技术和新材料领域以及环保领域的应用，必将涉及产品功能化的课题。因此，研发不同性能要求的改性凹土产品，将是今后凹土产品有机化发展的一个重要方向。虽然目前凹土产品的有机化研究中仍存在许多问题，但有机改性是高效利用凹土的必要前提，这点已成为共识。
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Current Situation and Prospects of Research of Attapulgite Development and Application Technology in China
Liu Changyin
（Suzhou Design and Research Institute for Non-metallic Minerals Instry，Suzhou Jiangsu 215004）
Abstract：The attapulgite clay deposits in China are distributed over 14 provinces and autonomous regions，such as Anhui，Gansu and so on.The instrial significance of attapulgite clay is determined by the content of attapulgite in it，which can be tested by XRD，chemical composition analysis of characterized elements，TEM and SEM.The instrial application fields of attapulgite clay can be widened through its calcinations，acid activation，modification with dense ammonium salts，and coupling agents on the basis of its refinement.The attapulgite procts of nanosized materials，adsorbent，adhesive and catalyst series and so on have appeared on the domestic market in China.The article points out that the modification of attapulgite clay will be a necessary prerequisite for effective use of Chinese attapulgite clay.
Key words：attapulgite clay，activation，modification，application.
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5. 纯水,河水,海水,城市自来水,瓶装矿泉水,蒸馏水,高纯去离子水的区别
普通蒸馏水电导率一般为10us/cm
三级水电导率一般为5us/cm
蒸馏水、去离子水的区别是制取工艺不同，纯蒸馏水是通过加热冷凝制取，缺点是生产成本太高，水质纯度一般，而且产量小。
去离子水是通过离子交换制取，优点是生产成本低，产量大。现在一般和反渗透配套使用生产高纯水。
三级水不能和蒸馏水、去离子水比较。三级水只是蒸馏水和去离子水的标准之一，用来划定水质纯度的指标
实验室用水检验标准（25摄氏度条件下）
三级水电导率≦5us/cm（蒸馏水）
二级水电导率≦1us/cm （纯水）
一级水电导率≦0.1us/cm （高纯水）
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