膨润土的矿物学特征及分类

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蒙脱石是年A.A.Damour和D.Saluetat在研究法国蒙脱里(Montmorillon)附近的黏土时,对其中主要的组成矿物(含有少量的碱金属和碱土金属离子的含水硅酸盐矿物)的命名。年,Le.Chatelier提出蒙脱石的化学式为4Si02AH2O。年,Hofmann.Enden和Wilm提出了蒙脱石结晶结构的原始假设。膨润土生产工艺比较复杂,对膨润土生产线上的要求也是比较高的。年,美国学者亨德里克斯利用X射线衍射分析研究了膨润土的矿物组成,认为蒙脱石是组成膨润土的主要矿物。年,Ross等经进一步研究,明确了蒙脱石的矿物学性质。以后又发现蒙脱石是化学成分复杂的一大族矿物,经国际黏土协会决定,使用Smectite作为族名,即蒙皂石族,亦称蒙脱石族。年,AIPEA会议上将膨润土定义为“以蒙脱石类矿物为主要组分的岩石”。之后,众多研究证明,膨润土的主要矿物成分是二八面体的蒙脱石-贝得石系列矿物。因此,蒙脱石的特性决定了膨润土的基本性能。

膨润土的主要矿物组成为蒙脱石,其次有少量的碎屑矿物长石、石英和碳酸盐等。造成膨润土的各项物理化学性能主要是由于蒙脱石的层状结构,以及元素在结构中的类型和分布引起。因此膨润土中蒙脱石的含量越高,其质量也越高。

蒙脱石的矿物学特征

1.蒙脱石的晶体结构

蒙脱石的晶体结构为单斜晶系,a0=0.nm,b0=0.nm,c0=0.96~2.05nm之间变化。如钙蒙脱石层间为一个、两个、三个、四个水分子层时其c0值分别为0.96nm、1.25nm、1.55nm、1.85nm、2.05nm;β近于90°。

蒙脱石的晶体结构是由两层硅氧四面体片晶层中间夹一层铝(镁)氧八面体片晶层构成的2:1型层状硅酸盐。硅氧四面体片是由硅氧四面体共角顶连接形成位于同一平面的近似六方网状的硅氧片。铝(镁)氧八面体片是由两层相对的硅氧四面体片提供四个氧原子和两个由处于同一平面的羟基提供的氧原子所构成的八面体共棱连接形成八面体片,而金属铝(镁)阳离子则位于八面体中心,从而形成铝(镁)氧八面体片。当三价阳离子占据2/3八面体空间时形成二八面体片。

而当二价阳离子占据所有八面体空间时,则形成三八面体片。豢脱石晶体结构单元。在蒙脱石的两个结构单元层之间由可交换的大半径阳离子Na+、Ca2十、K+等充填。

蒙脱石晶体结构的特点如下所述:

(1)两个结构单元层之间以分子间力连接,所以结构比较松散。在外力或极性水分子的作用下层间会产生相对运动而膨张或剥离。

(2)铝氧八面体中的铝离子可以被镁离子、铁离子、锌离子等多种离子置换置换率可达20%-30%。在膨润土加工过程中,需要用到很多的膨润土设备。硅氧四面体中的硅离子也可以被铝离子置换,但置换率较小,一般小于5%。由于A13+置换Si4+结果使得蒙脱石的晶体结构带负电荷(单位晶胞所带负电荷约0.66)。为达到电价平衡,蒙脱石晶胞会吸附交换性阳离子(K+、Na+、Ca2+等),使其位于单元层之间。另外,在八面体片中OH-置换02-也会部分补偿晶格中的负电荷。因此,蒙脱石类矿物有吸附阳离子和极性有机分子的能力。

(3)由于蒙脱石的层间结构松散,水分子或其它有机分子可以进入层间,所以造成膨润土的吸水膨胀性、高分散性、吸附性等。这也是膨润土易造浆、易活化、有机化和改塑等的原因所在。

2.蒙脱石的化学组成

蒙脱石的一般结构式为Nax(H2O)4{(Al2~xMgx)[Si4O10](OH)2},由于类质同象的广泛存在,使得蒙脱石族旷物的成分非常复杂。统计分析蒙脱石的化学成分并计算其结构式。

根据八面体中充填的阳离子类型和价态可将该族矿物分为二八面体和三八面体两个亚族,十几个矿物种。

世界各地的蒙脱石由于成因类型不同,或同一成因类型,不同产地,成矿环境不同,蒙脱石的化学组成都会有所变化。

我国的蒙脱石统计分析结果表明,与世界各地的平均结果相比,Si02和A12O3的平均值偏低,而Fe2O3,和MgO的含量偏高(杨雅秀、张乃娴等)。而郑秀华()对比了美国怀俄明州与中国各地的膨润土成分,结论与前者略有不同。但Si.Al.Fe、Mg始终是蒙脱石的主要成分,其次是K.、Na、Ca等微量元素。实测九台膨润土的平均化学成分,结果与临安膨润土相近,但K2O含量偏高。

3.蒙脱石的基本特征

(1)晶格置换。蒙脱石晶格内广泛存在异价类质同象置换。四面体中的Si4+可以被A13+置换,而八面体中的Si4+、A13+可以被Fe3+、Fe2+、Zn2+、Mn2+、Li+等置换。结果形成了一系列复杂的化学成分和层间负电菏。晶格置换前蒙脱石的电荷基本平衡,而置换后产生了电荷差。使晶片内的和晶层内的化学键更偏于离子键,使晶层具有吸附阳离子的能力。

(2)电负性。由于蒙脱石的晶格置换使其形成了晶格静电荷(单位晶胞约0.66静电单位)。这种电荷不受介质的酸碱度影响,是造成蒙脱石电负性的主要因素。当蒙脱石受机械力作用时,其晶格的端面羟基键会部分断裂,也会使晶格带负电。膨润土价格一直都被大家关心着,一如大家关心膨润土粉碎机的价格一样。而当蒙脱石遇水时,晶格中的Si―O键和Al―O键会发生断裂,造成端面破键。当水溶液呈酸性时,破键会吸附H+而使晶格带正电荷;当溶液呈碱性时端面则带负电荷;中性介质中为等电点。同样,蒙脱石的八面体片中若出现端面电荷的正负也与介质的酸碱性有关,酸性介质中带正电荷,碱性介质中带负电荷。但等电点的介质pH值在9.l左右。总体上,蒙脱石的端面电荷在总电荷中所占比例很小,但对蒙脱石的性质却影响很大。

(3)离子交换性。为保持电价乎衡,在蒙脱石的结构单元层之间存在K+、Na+、Ca2+等大半径的阳鼻子,这些离子可以发生同电性离子的等电量交换作用,从而使蒙脱石具有离子交换性能。几种常见阳离子在浓度相同的条件下交换能力顺序是Li+na+k+h+nh4+qmg2+ca2+ba2+。



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