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蛭石介紹

蛭石名稱來源于拉丁文vermicularis，意為“蠕蟲狀”。因其被突然加熱至高溫時(shí)，沿晶體c軸方向迅速膨脹成彎曲、拉長和扭曲的柱狀（下圖，a，b，c），外觀特征酷似水蛭而得名。

生蛭石（a）、膨脹蛭石（b）和局部放大的膨脹蛭石（c）

蛭石結(jié)構(gòu)模型示意圖

1824年，Webb在美國馬薩諸塞州Milbury附近的黏土巖中發(fā)現(xiàn)蛭石。1861年，蛭石被作為一種新礦物命名。1934年，Gruner首次通過X射線衍射（XRD）和化學(xué)成分分析研究蛭石確定其結(jié)構(gòu)是類似于云母，由（OH）4Mg3(Si，Al)8O20片層組成，層間陽離子周圍存在厚度為0.49nm的8個(gè)水分子。并確定該蛭石為單斜晶系，晶胞參數(shù)為a0≈0.530nm，b0≈0.920nm，c0在2.857~2.877nm范圍內(nèi)，β＝97°09′±10′。

中國蛭石儲量約占世界總儲量的六分之一。其中，新疆蛭石礦儲量占全國總儲量的95%以上，據(jù)勘測，且干布拉克蛭石礦總地質(zhì)儲量居世界第二（僅次于南非），遠(yuǎn)景儲量為1億多噸，是世界罕見的超大礦床。

膨脹蛭石

蛭石是由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構(gòu)成的具有限域結(jié)構(gòu)的天然層狀礦物材料。由于其硅氧四面體的四價(jià)硅被三價(jià)鋁代替，所以其層板帶負(fù)電，為了消除帶電性，層間是含有金屬陽離子的含水水層，水的存在也是蛭石膨脹的關(guān)鍵因素。

蛭石受熱體積可瞬間膨脹2~20倍，低膨脹率蛭石層間少數(shù)片層被打開，晶體結(jié)構(gòu)完整，并且保留本身的陽離子交換性和吸附性，可用于重金屬離子吸附及污染物降解的研究；而在高溫下蛭石發(fā)生較為完全的膨脹，其熱穩(wěn)定性和保溫隔熱性得到改善，比表面積和孔隙率大幅提高，可直接用于改良土壤的通氣性和保水性以及作為飼料和建筑材料的添加劑使用，并且高膨脹率蛭石被稱為是隔熱、相變、隔音等功能復(fù)合材料的重要原料之一。

☆膨脹蛭石的制備

膨脹蛭石使用性能往往與膨脹程度緊密相連。一般來說，蛭石膨脹倍數(shù)越高，使用性能越好。蛭石膨脹工藝是制備高性能膨脹蛭石產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國內(nèi)外學(xué)者對蛭石高膨脹制備工藝的研究較多，主要制備方法是熱膨脹法、化學(xué)膨脹法和微波膨脹法。熱膨脹法制備膨脹蛭石，即蛭石在1200℃的高溫窯爐中煅燒幾分鐘，蛭石快速吸熱，層間水急劇蒸發(fā)，蛭石層在蒸汽壓的作用下發(fā)生分離。

胡光鎖對成分不同的蛭石進(jìn)行電加熱膨脹實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：深黃色蛭石，結(jié)晶度高且層間水多的蛭石膨脹效果更加明顯。

Mouzdahir等考察了熱處理溫度對蛭石膨脹性能的影響，結(jié)果表明，煅燒溫度的升高可以顯著提高蛭石的膨脹效果，但過高的煅燒溫度亦會引起蛭石片層間鋁原子堆積和壓縮相莫來石的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致蛭石膨脹率下降。然而經(jīng)過熱膨脹法制備的膨脹蛭石主要存在能源消耗巨大且產(chǎn)品脆性大的缺點(diǎn)，基于此，國內(nèi)外學(xué)者采用化學(xué)膨脹法制備膨脹蛭石。Folorunso等利用蛭石的介電特性研究蛭石膨脹倍數(shù)與微波功率的關(guān)系，研究結(jié)果表明：在2.45GHz微波作用下，蛭石的膨脹倍數(shù)與微波功率呈三次方關(guān)系。

目前，盡管微波加熱技術(shù)趨于成熟，但我國膨脹蛭石的主要生產(chǎn)方式仍是將天然蛭石放于立式窯爐中高溫煅燒，這一落后的制備技術(shù)伴隨著膨脹蛭石脆性大且能耗高等諸多問題，并且導(dǎo)致膨脹蛭石的應(yīng)用性能下降和環(huán)境污染。因此，針對蛭石膨脹率低、膨脹性能差的瓶頸，應(yīng)開發(fā)膨脹蛭石制備新工藝，提高膨脹蛭石的綜合性能，這對我國膨脹蛭石工業(yè)化生產(chǎn)以及功能化應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

蛭石的應(yīng)用

☆蛭石基吸附功能材料

近年來，環(huán)境污染狀況日益嚴(yán)峻，健康安全的環(huán)境對于人民生活條件起著重要的作用，吸附是一種簡單有效的水處理方法。由于活性炭成本高與再生困難等缺點(diǎn)，天然蛭石是典型的硅鋁酸鹽黏土，具有資源豐富、價(jià)廉易得、親水、層板帶負(fù)電荷、多級結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，其在水處理應(yīng)用中的優(yōu)勢凸顯。

蛭石基吸附材料的吸附機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面：（1）基于層板帶電荷，在帶負(fù)電的表面上通過正負(fù)電的吸引來進(jìn)行吸附；（2）通過離子交換方式，進(jìn)行各種金屬離子的吸附分離；（3）有機(jī)改性蛭石通過相似相容原理與待吸附物進(jìn)行吸附；（4）表面形貌，比如通過蛭石表面的多孔和層板邊緣的棱角等進(jìn)行吸附；（5）其他協(xié)同作用，比如蛭石的強(qiáng)吸水性，蛭石片的大小和膨脹性能等。

☆蛭石基催化載體材料

蛭石作為催化載體可以通過可控的物理和化學(xué)方法調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)和形貌。主要有負(fù)載法、酸改性法、靜電紡絲法和原位生長法等。

蛭石本身就有催化劑的性能，可以直接用其作為光解水制氫催化劑。鑒于蛭石含有鐵元素能夠激活過氧化氫分子，催化降解水體中的有機(jī)分子，細(xì)顆粒碎蛭石也可直接用作Fenton反應(yīng)非均相催化劑，用于降解廢水中不同染料。利用負(fù)載鐵的蛭石也可以用作Fenton光催化劑。

☆蛭石基有機(jī)—無機(jī)復(fù)合材料

單一的高分子聚合物在耐熱性、強(qiáng)度、致密性、阻燃等方面難以滿足現(xiàn)實(shí)需要提出的各項(xiàng)要求。另外，高聚物具有聚合速率低和成品結(jié)晶度小等劣勢，很難用傳統(tǒng)方法進(jìn)行加工處理，因此其應(yīng)用受到限制。需要改進(jìn)反應(yīng)機(jī)理，最有效的方法是添加成核劑，其中添加無機(jī)物作為成核劑是方法之一。在聚合物中添加黏土納米顆粒能夠顯著改善聚合物的耐熱性、剛性、強(qiáng)度、韌性、耐沖擊性、阻隔和阻燃等性能，再加上成本低廉，黏土礦物來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此，這些具有優(yōu)異性能的聚合物納米黏土復(fù)合材料有望滿足工業(yè)和生活實(shí)際需要。

☆蛭石基儲能材料

隨著能源危機(jī)加劇和能量轉(zhuǎn)換需求提高，能量儲存與轉(zhuǎn)換技術(shù)引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。相轉(zhuǎn)變材料具有高儲能密度和等溫特性等優(yōu)勢，被認(rèn)為是潛在儲存材料和最有效的能量轉(zhuǎn)換處理技術(shù)之一。但是熔融相轉(zhuǎn)變材料容易泄漏和低熱導(dǎo)率等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了它的進(jìn)一步拓展。研究發(fā)現(xiàn)，多孔材料可以有效提高熱學(xué)特性，而且可以大量減少相轉(zhuǎn)變材料泄漏量。

利用蛭石的層狀多級結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，可以通過吸附方式阻止相轉(zhuǎn)變材料中液體泄漏等難題，同時(shí)添加銀線來提高相轉(zhuǎn)變材料的導(dǎo)熱能力，可以制備聚乙二醇+線+膨脹蛭石復(fù)合的相轉(zhuǎn)變功能材料。研究表明，該材料具有對熔體的高裝載量、高熱導(dǎo)率、高相轉(zhuǎn)化潛熱以及良好的化學(xué)兼容性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

☆蛭石基藥物載體材料

蛭石具有多級層狀結(jié)構(gòu)且層板帶電荷，能夠通過離子交換方式進(jìn)行離子輸送，利用正負(fù)電的相互作用，其具有緩釋功能，實(shí)現(xiàn)了藥物根據(jù)環(huán)境需求進(jìn)行藥物釋放，降低了藥物對動(dòng)物或人體的傷害。充分利用蛭石自身結(jié)構(gòu)特性，利用離子交換法、鹽離子改性負(fù)載法和有機(jī)物交聯(lián)等方法實(shí)現(xiàn)了蛭石作為藥物載體的功能。

參考文獻(xiàn)：

￭田維亮等.蛭石功能材料研究進(jìn)展

￭劉猛等.蛭石功能化應(yīng)用研究新進(jìn)展

￭解顏巖等.蛭石的高膨脹倍數(shù)制備工藝與機(jī)理

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/茜茜）

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