蒙脱土生态环境材料及生产工艺

发布日期:2015-06-08 17:44:36
非金属矿物、金属矿物、能源矿物是人类物质生产三大基础矿物材料,其中非金属矿物 具有许多独特的物理化学性能,如耐热隔热性、耐酸碱性、耐磨性、坚硬性、导电性、绝缘 性、润滑性等,已被广泛应用于冶金、化工、石油、轻工、建材、机械、农业、国防等工业 部门。当今世界己逐渐开始用非金属矿物资源的开发利用程度来衡量一个国家经济与科技发 展的水平,只有非金属矿工业以高于国民生产总值的增长速度发展,才能适应各工业部门高 速发展的需求。近年来,随着我国对科学技术的日益重视,非金属矿物材料的研宄与发展在 我国国民经济发展中占有越来越重要的地位[2()]。
非金属矿物材料是指从非金属矿物和岩石(包括部分人造非金属矿物和岩石)的物理、 化学性质及其效应出发,经过适当的加工处理,使之成为能被工农业生产和日常生活各个领 域使用的一类材料和制品的总称[38_39]。高附加值、高技术含量的新型非金属矿物材料的发展 和应用水平是代表一个国家材料科学技术水平的重要标志[38]。
生态环境材料是指那些对资源和能源消耗最少,对生态环境影响最小,再生循环利用率 最高或可分解使用的,具有优异使用性能和特别优异的环境协调性的材料,以及那些直接具 有净化环境或修复环境能力的材料[4M1]。天然矿物是一类资源丰富、价格低廉、与环境协调 性极佳的绿色材料。一些天然矿物还具有净化环境和修复环境的功能,是理想的生态环境材 料。因此,非金属矿物环境材料可以定义为由非金属矿物及其改性产物组成的与生态环境具
有良好协调性或直接具有防治污染和修复环境功能的一类矿物材料[4|43]。与其他材料相比, 非金属矿物环境材料具有以下优点[4345]: (1)应用范围广,除了可用于“三废”处理外,还 适用于处理高科技发展产生的新污染,如各种射线辐射、电磁场、低频噪声等;(2)环境协 调性好,既能治理污染,又能修复环境,回归自然;(3)循环利用率高,不产生二次污染, 治污成本低;(4)自净化功能强,在一般性环保技术不能解决的非点源区域性污染问题方面 能发挥独特的作用
我国的非金属矿资源丰富,许多非金属矿种的查明储量居世界前列,其中膨润土、菱镁 矿、石膏、重晶石、萤石、石墨、石灰石、高铝矾土储量均居世界第一位。在过去的几十年 中我国非金属矿产业取得了显著的发展,对国民经济和社会就业的贡献和影响不断提高[46]。 但目前我国非金属矿物产业发展还存在总体能耗高、资源利用率低、环境污染严重、产业链 短、产品附加值低、安全环保节能的非金属新材料发展滞后等问题。这些问题使得经济发展 与资源紧缺、生态环境恶化的矛盾更为突出,直接影响到我国国民经济的长期、稳定、协调 发展[4MS]。可见,寻求新型环境友好型发展模式是我国非金属矿物产业发展的必由之路。
2蒙脱土矿物环境材料 2.1蒙脱土的矿物特征与结构
蒙脱土是以蒙脱石(mcrntmorinonites)为主要成分的一种粘土矿物,通常又称为膨润土 (Bentonites)。1972年,国际粘土研宄协会(AIPEA)将膨润土定义为“是以蒙脱石类矿物 为主要组分的岩石,是蒙脱石类矿物达到可利用含量的粘土或粘土岩” [49_5()]。
蒙脱石作为一种典型的2: 1型层状桂酸盐粘土,其基本结构单元(如图】-3)是由两层 Si-0四面体和中间一层AI-0八面体通过共用角顶氧原子组成,每一个片层的厚度大约为 lnm。四面体片层中部分Si4+被低价的Al3+所置换;八面体片层中,部分Al3+被Mg2+等低价 金属阳离子所置换,这种高低价阳离子间的同晶置换(isomorphic substitution)结果造成蒙脱 石晶面片层负电荷过剩,晶层表面吸附了一些可交换性阳离子(如Na+、K+、Ca2+等)以平 衡电荷。这些阳离子通过很弱的电场作用力吸附在片层表面,因此很容易被其他无机金属离 子和有机阳离子所交换,使蒙脱石晶层间距发生变化[51—52]。
根据蒙脱石层间可交换性阳离子的不同可以将膨润土分为钙基膨润土、钠基膨润土、氢 (铝)基膨润土、镁基膨润土等152】,其中最重要的两种膨润土是钙基膨润土和钠基膨润土。 其中钙基膨润土是全世界储量最丰富、分布最广的膨润土矿物,而天然的钠基膨润土则非常 少,且分布在地表以下几百米,开采比较困难。与钙基膨润土相比钠基膨润土具有更优越的 物化性能(见表1-3),因此绝大多数应用需要钠基膨润土[53<5]。
图1-3蒙脱石的晶体结构。
Figure 1-3 Structure of the montmorillonites.
表1-3钙基膨润土和钠基膨润土的性质比较 Table 1 -3 Property conqjarison of Ca-bentonites and Na-bentonites
膨润土类型水中崩解特点吸水率膨胀性能可塑性胶体分散性能
钠基膨润土强烈吸水膨胀软化但不崩塌高好强有极好的分散能力,在水 中形成十分稳定的悬浮液
钙基膨润土在水中崩塌成散粒状团块中等中等中等在水中分散能力差,不易 形成稳定的悬浮液
2.2蒙脱土的工艺特性与应用
由于蒙脱石的独特结构,蒙脱石晶层间结合力比较弱,水分子及各种有机分子可以很容 易进入层间。所以膨润土具有许多独特的工艺特性,包括良好的膨胀性、粘接性、吸附性、 触变性、悬浮性、可塑性、润滑性、稳定性、环境友好性和阳离子交换性等性能,具体如下
[56-57]:
吸水膨胀性。蒙脱石是由两层Si-O四面体中间夹一层Al-O八面体组成的2: 1型
内蒙古大学博士学位论文第一章绪论
层状硅酸盐。同晶置换的结果造成蒙脱石晶面片层负电荷过剩,可吸附阳离子和极性水分子,
因此具有很强的吸水膨胀性。
(2)粘结性和可塑性。蒙脱石表面电荷多样化,颗粒不规则,结构中端面的羟基易与水
形成氢键,因而具有较好的粘结性和可塑性。
(3)吸附性。蒙脱石中同晶置换形成负电性中心,从而具有吸附各种阳离子和极性分子
的能力。此外,由于蒙脱石独特的双八面体结构和层状组合具有较大的比表面积,所以蒙脱
石对大分子有机物也具有高度的选择吸附性。
表1-4膨润土的主要性质与用途
Table 1-4 Primary properties and uses of bentonites
性质应用领域用途
钻井泥浆高流变和触变性能的钻井泥浆悬浮液
高溶胀性、触变性、粘度石油化工稠化剂、防沉降助剂
陶瓷增塑剂
冶金冶金球团粘结剂
髙热湿压、热湿拉强度铸造型砂粘结剂、表面稳定剂
高吸水容量农业猫砂、土壤改良剂、添加剂
良好的触变性曰化化妆品
大比表面积石油化工催化剂、杀虫剂、农药、杀菌剂的载体
高层电荷;髙阳离子交换容量:大比表面积材料纳米复合材料
水处理絮凝
食品脱色剂、净化剂、澄清剂
良好的吸附性石油化工精炼、脱色、净化
纺织印染漂白剂
3触变性。蒙脱石结构中端面的羟基在静置的介质中会产生氢键,使之成为均匀的胶 体,并且具有一定的粘度,在外界剪切力存在下进行搅拌时,氢键被破坏,粘度降低,悬浮 液又变成流动性很好的溶胶液,因此而具有很好的触变性。
4分散悬浮性。水溶液中,蒙脱石晶胞带有的负电荷使得晶层间结合力较弱,很难凝 聚成大颗粒,且水分子易进入晶层间,充分水化后蒙脱石以溶胶形式分散悬浮于水溶液中。
5离子交换性。同晶置换致使蒙脱石晶胞中出现过剩的负电荷,这些负电荷由晶层表
面吸附的一些可交换性阳离子来平衡电荷。这些阳离子被很弱的电场作用力吸附在片层表面, 因此很容易被其他无机金属离子和有机阳离子所交换,因此具有良好的离子交换性。
6稳定性。膨润土具有较高的热稳定性,在受热情况下仍具有一定的阳离子交换能力 和膨胀性能,不溶于水,微溶于强酸,在室温下不与碱、氧化剂、还原剂反应,具有较好的 化学稳定性。
7环境友好性。膨润土对人、畜、植物无毒害和腐蚀作用,对人体皮肤无刺激,对神 经、呼吸系统无影响。因此,可用于医药载体、赋形剂和词料添加剂等。
良好的工艺特性使得膨润土成为目前应用范围较广、经济价值较高的粘土矿物之一,广 泛地应用于冶金球团、铸造、钻井、石油、化工、轻工、纺织、造纸、橡胶、农业、医药、 环境治理等领域(见表1-4),因此被称为“具有千种用途的粘土”。