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膨潤土定義

膨潤土用途

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膨潤土用途

　　一、礦產名稱

　　膨潤土（Bentonite），又稱斑脫巖、膨土巖等，是以蒙脫石為主要成分的粘土巖—蒙脫石粘土巖。

　　二、礦床類型及其分布

　　1．礦床的成因類型

　　膨潤土礦的成因分為火山巖型礦床、火山巖—沉積型礦床、沉積礦床、侵入巖型礦床。火山巖型礦床實例有遼寧黑山、吉林九臺、浙江仇山、河南信陽、山東涌泉莊等；火山巖—沉積巖型礦床實例有浙江平山、安徽新潭、內蒙高廟子等；沉積礦床實例如廣西寧明、甘肅紅泉、四川三臺等；侵入巖型礦床如江蘇平橋、湖南金沙洲等。

　　2．礦床的工業類型

　　膨潤土的目的礦物是蒙脫石（Montmorillonite）亦稱微晶高嶺石或膠嶺石，是含少量堿及堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物，其化學通式為：

　　Nax(H2O)4{（Al2-xMgX）[Si4O10](OH)2}

　　ENa++EK+

　　ECa2++EMg2+

　　根據蒙脫石層間可交換陽離子種類、含量將膨潤土劃分為鈉基膨潤土（堿性土）、鈣基膨潤土（堿土性土）和天然漂白土（酸性土）三種。其中鈣基膨潤土包括鈣鈉基、鈣鎂基等膨潤土。鈣基膨潤土和鈉基膨潤土這二種工業類型是根據礦石的堿性系數劃分的。堿性系數（）大于或等于1的為鈉基膨潤土礦，小于1的為鈣基膨潤土礦，漂白土則是以交換陽離子為H+、Al 3+確定的。

　　3．礦產的分布情況

　　世界膨潤土資源豐富，分布甚廣。世界膨潤土總儲量約為25億噸，其中美國、原蘇聯和中國的儲量占世界儲量的3/4，其次是意大利、希臘、澳大利亞和德國。鈣基膨潤土約占70~80%，鈉基膨潤土儲量不足5億噸。因此，世界膨潤土資源雖然十分豐富，但用量大的鈉基膨潤土卻十分短缺。

　　我國大多數膨潤土為鈣基膨潤土。膨潤土礦產遍布全國23個省，大型礦床20多個。大多數礦床集中在東北三省及東部沿海各省，以及新疆、四川、甘肅、河南、廣西等省。主要礦區有：遼寧黑山礦、浙江臨安礦、浙江仇山礦、四川三臺、甘肅酒泉、吉林雙陽、福建連城、吉林九臺、山東濰縣涌泉、河南信陽、河北張家口和宣化、新疆托克遜礦等。

　　三、礦床的主要工業指標

　　膨潤土礦石質量的一般工業要求以礦石中蒙脫石含量來衡量：

　　邊界品位：≥40%；

　　工業平均品位：≥50%。

　　蒙脫石含量一般是用吸藍量換算，即：

　　M=B/K′100

　　式中M-膨潤土礦石中蒙脫石相對含量，%；

　　B-吸藍量，毫克當量/100克樣；

　　K-換算系數，150。

　　可采厚度：1~2m；

　　夾石剔除厚度：≥1m。

　　礦石儲量>5000萬噸的為大型礦床，中型礦床為500~5000萬噸，<500萬噸的為小型礦床。膨潤土礦石的測試分基本性能測試和工藝性能測試。基本性能測試項目包括：吸藍量、陽離子交換總量及分量、膠質價、膨脹容、PH值等。工藝性能測試項目是按其用途確定的，常見的測試項目有：

　　機械制造濕壓強度、干壓強度、熱濕拉強度、透氣性；

　　冶金球團抗壓強度、落下次數、爆裂溫度、2小時和24小時吸水率；

　　鉆井泥漿造漿率、失水率、粘度計讀數、視粘度、塑性粘度、動切力、濕篩分析等；

　　石油化工脫色力、比表面積、游離酸、活性度、水分、粒度等。

　　具體指標見六、產品質量標準。

　　四、礦石性質

　　1．礦石的礦物組成

　　根據礦石的礦物組合及其結構構造，將膨潤土礦石劃分成為粘土狀、粉砂狀、砂狀、角礫狀等類型，見表1。

　　表1膨潤土礦石的礦物組成

　　礦石類型

　　粘土狀膨潤土

　　粉砂狀膨潤土

　　砂狀膨潤土

　　含“礫”膨潤土

　　角礫狀膨潤土

　　顏色

　　青灰色夾紫紅色

　　青灰色或磚紅色

　　磚紅色

　　青灰或磚紅色

　　雜色，以青灰色為主

　　結構

　　變余晶屑凝灰結構，變余沉凝灰結構

　　變余凝灰結構，變余粉砂狀沉凝灰結構

　　變余凝灰結構粉砂-細砂結構

　　變余沉火山角礫結構，變余火山角礫結構

　　角礫沉凝灰結構

　　組成

　　主要：蒙脫石，玻屑

　　次要：

　　晶屑：石英

　　長石

　　斜發沸石

　　15~30%

　　陸源碎屑

　　20~25%

　　主要：蒙脫石

　　次要：

　　巖屑：硅質巖

　　凝灰巖

　　熔結凝

　　灰巖

　　安山巖

　　霏細巖

　　晶屑：石英、斜長石、黑云母

　　玻屑

　　陸源碎屑：

　　粉砂、砂、泥

　　主要：蒙脫石、斜發沸石30~50%

　　次要：

　　巖屑：硅質巖、凝灰巖、安山巖5~20%

　　晶屑：10~20%

　　陸源碎屑：

　　黃鐵礦、方解石

　　主要：蒙脫石火山巖角礫

　　次要：

　　礫石-硅質巖

　　晶屑：石英

　　斜發沸石<10%，石英，火山巖，“礫”少量

　　主要：蒙脫石

　　玻屑

　　次要：

　　巖屑：

　　熔結凝灰巖

　　凝灰巖

　　斜發沸石少量

　　陸源碎屑>10%

　　2．目的礦物的礦物特征

　　膨潤土礦的目的礦物蒙脫石是一種含水的層狀鋁硅酸礦物。晶體結構特點是二層硅氧四面體晶片與其間的鋁氧八面體晶片相結合形成晶層，構成2：1型結構。晶層具有水分子和可交換性陽離子，見圖1。八面體空隙中的陽離子為Al3+離子，剩下兩個空位，為二八面體型。蒙脫石晶體化學特點是類質同象種類多，使之化學成分復雜，變化大。八面體空隙中的Al3+常被低價的Mg2+、Fe2+置換；四面體空隙中的Si4+被Al3+置換，由于低價陽離子替代高價陽離子，使結構層產生多余的負電價。為了保持電中性，在結構層之間，除水分子外，存在較大半徑的陽離子Na1+、Ca2+、Mg2+等。這些陽離子是可交換的，使蒙脫石族礦物具有離子交換性、吸水性、膨脹性、觸變性、粘結性、吸附性等一系列很有價值的特性。

　　（圖1待掃描）

　　圖1蒙脫石的晶體結構

　　五、工藝特性及主要用途

　　由蒙脫石的晶體化學和晶體結構決定了膨潤土具有以下工藝特性，這些特性使膨潤土在24個領域100多個部門得到了應用。

　　1．工藝特性

　　陽離子交換性在蒙脫石晶層中的陽離子具有可交換性能，在一定的物理—化學條件下，不僅Ca2+、Mg2+、Na1+、K1+等可相互交換，而且H+、多核金屬陽離子（如羥基鋁十三聚體）、有機陽離子（如二甲基雙十八烷基氯化銨）也可交換晶層間的陽離子。陽離子交換性是膨潤土的重要工藝特性，利用這一特性，進行膨潤土的改型，由鈣基膨潤土改型為鈉基膨潤土；制取活性白土、鋰基膨潤土、有機膨潤土、柱撐蒙脫石等產品。

　　測定膨潤土礦陽離子交換容量和交換性陽離子，是判斷膨潤土礦質量和劃分膨潤土礦屬型的主要依據。陽離子交換容量是指PH值為7的條件下所吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子總量，單位為mmol/100g土。陽離子交換容量的英文名稱為Cation Exchange Capacity，簡稱為CEC。膨潤土的CEC值愈大表示其帶負電量愈大，其水化、膨脹和分散能力愈強；反之，其水化、膨脹和分散能力愈差。

　　目前測定CEC的方法分為兩大類：一類是定氮蒸鎦法，另一類是氯化鋇-硫酸法。

　　吸水性膨潤土能吸附8~15倍于本體積的水量，吸水后體積膨脹，體積能膨脹增大幾倍到十幾倍。以吸水率和吸水比表示膨潤土的吸水性。單位重量的膨潤土所能吸附水的重量稱為吸水率，以百分數表示。在初始階段，它隨時間的增長而增長，后達到飽和。前十分鐘的吸水量和二小時的吸水量的百分比稱為吸水比。

　　膨潤土的膨脹性能以膨脹容表示，膨潤土在稀鹽酸溶液中膨脹后的容積稱為膨脹容，以毫升/克樣表示。鈉基膨潤土比鈣基、酸性膨潤土的膨脹容高；同一屬型的膨潤土，含蒙脫石愈多，膨脹容愈高。膨脹容是鑒定膨潤土礦石屬型和估價膨潤土質量的技術指標之一。

　　吸附脫色性膨潤土對各種氣體、液體、有機物質具有一定的吸附能力，吸附量可達5倍于它的重量，尤其是酸性膨潤土和經酸處理活化的活性白土對各種油類具有良好的脫色性能。以往是以脫色率和脫色力表征膨潤土的吸附脫色能力，目前趨于以脫色力和比表面積來表征。

　　在相同的測試條件下，在脫色效果相同的情況下，標準土用樣量與試樣用樣量之比，乘以標準土的脫色力值即為試樣的脫色力。以下式表示：

　　T=T0′W1/W2

　　式中T—試樣的脫色力；

　　T0–-標準土的脫色力；

　　W1—與試樣消光量相等時的標準土重量（克）；

　　W2—試樣重量（克）。

　　采用一定量的膨潤土對煤油瀝青溶液脫色，脫色前后溶液的消光值之差與脫色前溶液的消光值之比稱為脫色率，以百分數表示。即：

　　A=（E0-E2）/E0′100

　　式中A—脫色率（%）；

　　E0–煤油瀝青標準溶液的消光值；

　　E2—脫色后煤油瀝青溶液的消光值。

　　1克固體所具有的總面積為比表面。測定固體比表面的常用方法有BET（Brunauer—Emmett—Teller三人）法、電子顯微鏡法和氣相色譜法。

　　膠質價膨潤土在水介質中能分散呈膠體懸浮液，這種懸浮液具有一定的粘滯性、觸變性和潤滑性，以膠質價表征這些性能。膨潤土與水按比例混合后，加適量氧化鎂，靜置24小時后形成的凝膠層體積稱為膠質價。以15克樣形成的凝膠體體積的毫升數表示。膠質價是評價膨潤土形成膠體體系及其穩定性的一種指標，是分散性、親水性和膨潤性的綜合表現。鈉基膨潤土比鈣基、酸性膨潤土的膠質價高；同一屬型的膨潤土，含蒙脫石愈多，膠質價愈高。

　　粘結性和可塑性膨潤土和水、泥或砂等的摻合物有粘結性和可塑性，一般以濕態抗壓強度（濕壓強度）、熱濕拉強度表示。濕壓強度是評價膨潤土的濕態粘結能力。將膨潤土與標準砂（內蒙通遼縣大林型砂廠產）和水按一定比例混碾，形成粘土膜將砂粒包裹，制成標準試樣，測單位面積上所能承受的載荷，單位為kg/cm2。

　　將膨潤土與標準砂和水按比例混碾后，制成標準試件，在試件一端加熱，使之形成一定厚度的干砂層及其后的水分凝聚區，然后加載拉力負荷，測定試件在水分凝聚區的抗拉強度，為熱濕拉強度，以kg/cm2表示。熱濕拉強度是鑄造工業評價膨潤土質量的重要技術指標。

　　造漿性能膨潤土的主要用途之一是用作鉆井液材料。衡量膨潤土的造漿性能的主要指標之一是造漿率，即單位重量的膨潤土可以配制成具有表觀粘度為15mPa?s的懸浮液體積數（單位為m3/t）。

　　2．主要用途

　　由于膨潤土具有上述工藝特性，使其作為粘結劑、吸附劑、催化劑、增稠劑、觸變劑、脫色劑等廣泛應用于冶金球團、鑄造、鉆井、化工、食品等24個領域100多個部門，見表2。但其主要消費領域是鑄造型砂、鐵礦球團、鉆井泥漿，消費量約占世界總產量的75%。我國膨潤土主要應用領域的消耗量為：鑄造用膨潤土90.41萬噸（占73.5%），鉆井泥漿8.61萬噸（占7%），石油化工（包括脫色）用膨潤土7.75萬噸（占6.3%），鐵礦球團用膨潤土3.69萬噸（占3%），輕工建材、農藥和印染等10.1萬噸（占8.2%）。

　　表2膨潤土的主要用途

　　應用領域

　　主要用途

　　適用膨潤土種類

　　鑄造

　　型砂粘結劑

　　鈉基或鈣、鎂基土

　　水化型砂的粘結劑，表面穩定劑

　　有機膨潤土、鋰基土

　　冶金

　　鐵精礦球團粘結劑

　　鈉基土為主

　　鉆井泥漿

　　配制具有高流變和觸變性能的鉆井泥漿懸浮液

　　鉆機解卡劑

　　鈉、鈣、鎂基土

　　有機膨潤土

　　食品

　　動植物油的脫色和凈化

　　葡萄酒和果汁的澄清，啤酒的穩定處理，糖化處理，糖汁凈化

　　漂白土

　　鈣、鎂基膨潤土

　　石油

　　石油、油脂、石臘、石蠟油（煤油的精煉）脫色和凈化

　　石油裂化的催化劑載體

　　漂白土

　　鈣、鎂基膨潤土