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蒙脱石的结构特点及物理化学性质

来源: 赤峰和美嘉科技有限公司  点击:60 发布时间:2020-7-8

   蒙脱石是含少量碱金属和碱土金属的层状水铝硅酸盐矿物,其结构层为2:1型,层间具有水分子和可交换阳离子的二八面体型铝硅酸盐,以蒙脱石为主要矿物成分的黏土称为膨润土。

1、蒙脱石的结构特点
晶格内的异价类质同象置换是蒙脱石最基本、最主要的构造特性,蒙脱石的晶体结构是由两层硅氧四面片和一层夹于其间的铝(镁)氧(羟基)八面体片构成,其硅氧四面体中的Si4+常被Al3+置换,铝氧八面体中的Al3+可被Mg2+、Fe2+等低价阳离子置换,使晶体层(结构层)间产生多余的负电荷(永久性负电荷)。

    为了保持电中性,晶层间吸附了大半径的阳离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Li+、H+等,这些阳离子是以水化状态出现,并且是可相互交换的,使蒙脱石族矿物具有离子交换力等一系列特性。

2、蒙脱石的物理化学性质
蒙脱石的形态、成分和结构特点决定了它的优良吸附性、阳离子交换性、分散悬浮性、可塑性、黏结性等。
(1)表面电性
蒙脱石的表面电性来自于以下三方面:
  • 层电荷:每个晶胞最高可达0.6,且不受介质pH值的影响。这是蒙脱石表面负电性的主要原因。

  • 破键电荷:产生于四面体片的基面、八面体片的端面,系Si-O破键和Al-O(OH)破键的水解作用所致。当pH值小于7时,破键吸引H+,表面带正电;当pH值大于7时,表面带负电。

  • 八面体片中离子离解形成的电荷:在酸性介质中,OH-离解占优势,端面电荷为正电;在碱性介质中,Al3+离解占优势,端面电荷为负电;pH值为9.1左右为等电点。


(2)膨胀性
蒙脱石吸水或吸附有机物质后,晶层间距增大,体积膨胀。钙蒙脱石的吸水率和膨胀倍数大大低于钠蒙脱石。钠蒙脱石的膨胀倍数高达20-30倍,而钙蒙脱石仅几倍至十几倍。
(3)分散悬浮性和造浆性
蒙脱石在水介质中能分散成胶体状态。钠蒙脱石遇水膨胀可形成永久性的悬浮液或乳浊液。这种悬浮液具有一定的黏滞性、触变形和润滑性。蒙脱石的造浆性不如坡缕石和海泡石好,钠蒙脱石的造浆率可达10m3/t,钙蒙脱石的造浆率较低。
(4)阳离子交换性和吸附性
蒙脱石的结构单元是两个硅氧四面体层夹一个铝氧八面体组成,靠共用的氧原子连接,其层间的阳离子可以交换,这些可交换的阳离子为钾、钠、钙、镁、铝、锂等,并很容易使颗粒分裂成带电胶体,晶层间被吸附的阳离子具有可交换性。天然蒙脱石在pH值为7的水介质中的阳离子交换容量为70-140mmol/100g(相当于每个晶胞带0.5-1个静电荷)。蒙脱石的离子交换主要是层间阳离子交换。晶体层面吸附的离子也具有交换性,且随颗粒变细而增大。蒙脱石的阳离子交换能力主要与层间阳离子的类型有关。
此外,也受蒙脱石的粒度、结晶程度、介质性质等因素的影响。阳离子电价和水化能越高,代换性能越强,而被代换性也就越差。几种常见阳离子在浓度相同条件下,交换能力的顺序为:Li+<Na+<K+<NH4+≤Mg2+<Ca2+<Ba2+。其中,Mg2+和Ca2+的交换能力差别不大,H+的位置在K+或NH4+的前面。因此,钠蒙脱石的阳离子交换容量高于钙蒙脱石。
利用蒙脱石的阳离子交换性可对其改型。因钠蒙脱石的许多性能优于钙蒙脱石,故常将钙蒙脱石钠化。
蒙脱石黏土具有优良的吸附性和脱色性。以蒙脱石为主的白色黏土(pH值小于7,故称为酸性白土)为蒙脱石的风化产物,其脱色率可达100%。用于食品、化工部门作吸附和脱色用的蒙脱石黏土,需进行活化处理以增强其吸附性能。
(5)热性能
蒙脱石加热至200-700℃出现缓慢的膨胀,到700-800℃时有一急剧膨胀过程,生成无水蒙脱石。接着有一个较大的收缩,直到950℃又重新开始膨胀。
钠蒙脱石加热至100℃后,阳离子交换容量有所增加;加热至100-300℃后,阳离子交换容量有所降低;加热至300-350℃后,阳离子交换容量有较明显的降低;至390-490℃即丧失膨胀性能,阳离子交换容量降低到39mmol/100g。以上各性能,钙蒙脱石相对钠蒙脱石约低100℃。
(6)可塑性和黏结性
蒙脱石具有良好的可塑性能,其塑限和液限(即蒙脱石黏土呈可塑状态时的下限和上限含水量)均大大高于高岭石和伊利石,可达83%和25%。蒙脱石黏土成形后发生变形所需的外力较其他黏土矿物为小。
蒙脱石的可塑性也与层间交换阳离子的种类有关。钠蒙脱石和钙蒙脱石的塑限和液限值有明显差别。可塑性也与水分子层的厚度、颗粒形态及粒度有关。蒙脱石黏土具有优良的黏结性。同样,钠蒙脱石的黏结性优于钙蒙脱石。
(7)吸附脱色性

蒙脱石黏土对各种气体液体有机物质具有一定的吸附能力,最大吸附量可达自身质量的五倍,尤其是酸性膨润土和经酸处理活化的活性白土对各种油类具有良好的脱色性能。


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