凹凸棒石(千土之王、万用之土)

LOGO千土之王，万用之土（凹凸棒石及PAL材料）王伟军13639398400ContentsPAL材料简介2.比较研究3.PAL材料的应用研究4.PAL材料的应用效果5.凹凸棒石概述4.1.2基本概念金属—是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。非金属—在通常条件下为气体或没有金属特性的脆性固体或液体。纳米—是长度单位，原称毫微米，就是10-9m（10亿分之一米。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。目数—就是孔数，就是每平方英寸上的孔数目。目数越大，孔径越小。100目—149μm200目—74μm400目—37μm……12500目—1μm计算公式：筛子内径(μm)≈14832.4/筛子目数3一、凹凸棒石概述1、概念凹凸棒石（Attapulgite）又名坡缕石（Palygorskite）。他是一种非金属矿物，矿物学名称为含水镁质层、链状硅酸盐。（凹凸棒石理想结构式为Mg5SiO8O20(HO2)4·4H2O。理论化学成分为：SiO256.96%；MgO23.83%；H2O19.21%。）2、命名（1）1862年，俄国学者隆夫钦科夫，于俄罗斯乌拉尔坡缕缟斯克（palygosk）矿区的热液蚀变产物中发现了这一矿物并将其命名为坡缕石（Palygorskite)。（2）1935年，法国学者拉巴朗特（J.D.Laporent)，在美国佐治亚州凹凸堡（Attapulays)发现了此种矿物，并命名为凹凸棒石（Attapulgite)（3）1982年，世界矿物学命名委员会认为，凹凸棒石和坡缕石晶体结构和化学成分相同，属于同一矿种，按照命名优先原则，统一命名为坡缕石。4563、凹凸棒土材料的成因和资源分布大量资料证实，世界凹凸棒石粘土主要产于整个白垩纪和第三纪期间。中国凹凸棒石粘土主要产于第三系火山岩系、白垩系陆相地层、奥陶系、二迭系灰岩地层，以及寒武系、震旦系白云质灰岩等地层中。其中甘肃凹凸棒石的成因具有世界的唯一性（海相沉积）。凹凸棒石属世界稀缺重要非金属矿种。其稀缺性应理解为具工业意义的矿床并不多见，分布仅限于俄罗斯、美国、印度、西班牙、澳大利亚、法国、土耳其、塞内加尔、包括中国等少数几个国家。实际上，在20世纪60年代之前，凹凸棒石矿物仅在几个国家发现，被地质界认为是较稀有的矿物，但在其后几十年的地质工作之后，发现该矿物几乎遍及世界各地，只是规模产出具工业意义的仅有几个国家，仍然不失稀缺。74、凹凸棒石的晶体结构（1）硅氧四面体在硅氧四面体中，每一个硅原子与四个氧原子（或氢氧）以相等的距离相连，硅原子在紧密堆积所构成的四面体的中心，四个氧原子（或氢氧原子团）在四面体的顶点。8（2）镁—氧八面体由两层紧密堆叠的氧和氢氧组成，镁（铁或铝）原子居于正八面体的中间，八面体的六个顶点为氢氧原子团，如下图（a）所示的是八面体晶片立体图。下图b是镁氧八面体的单元晶胞，按晶体空间格子构造规律，有六个阳离子的位置（质点）。根据电价平衡的原则，当阳离子的位置由三价阳离子如Al3+、Fe3+等填充时，三价离子占据2/3的八面体位置,留下1/3的空位（空余的位置星号标记），这样构成的八面体称为二八面体型。当八面体晶片的中央位置由二价阳离子如Mg2+、Fe2+等占据时，六个阳离子位置全部被充满，构成的八面体称为三八面体型。9105、凹凸棒石的基本物化性能凹凸棒石是指以凹凸棒石为主要组成部分的一种非金属矿，其集合体为土状块体构造，颜色为灰白色、青灰、微黄或浅绿，油脂光泽，比重轻（2.0～2.3g/cm3），摩氏硬度2-3级。（1）吸蓝量：凹凸棒石的吸蓝量，为24g/100g。（2）胶质价：凹凸棒石的胶质价，为40~50ml/15g。（3）膨胀容：凹凸棒石的膨胀容为4~6ml/g.（4）pH值：凹凸棒石呈碱性，pH值为8~9。（5）比表面积：凹土比表面积很高，大于其他粘土矿物，通常为100—200m2/g（6）阳离子交换容量（CEC）：凹凸棒石的阳离子交换容量可交换Ca离子为15—25mmol/100g，可交换Mg离子为5—15mmol/100g。11（7）吸附脱色性：不同品位（%）的脱色力有差异，如：30%，45—50；70%，55—00；75%，110—115；85%，120—130。（8）选择性吸附：极性分子主要是水和氨，其次是甲醇、乙醇，都能被其管道吸附，而氧等非极性分子则不能。其吸附能力依次为：水醇醛酮正烯中性脂芳烃环烷烃烷烃。吸附能力高低取决于比表面积大小，而吸附选择性则与矿物结构、通道尺寸、形状等有关。凹凸棒石对水的吸附在200—400°C焙烧后达到最大值（比表面积大），超过400°C则吸附量减少。（9）催化性：凹凸棒石具有表面活性中心，除吸附外，还有催化作用。可用作乙醇转化为乙烯的催化剂（Dandy，1982），也可作为催化剂载体。（10）粘滞性：是指流体内部假想平面两侧流体相对流动性质，用粘度表示。表示胶粘剂性能的一项指标，不同用途有不同要求。标准值：3300~4500；单位：cPs。12（11）吸水性：凹凸棒石有很强吸水性，一般为24.3%，它又有良好抗盐稳定性，用其配制钻井泥浆用于海洋钻井和钻高压盐水层有很好的悬浮性能。（12）灭菌、除臭、去毒、杀虫性：凹凸棒石具很强灭菌、除臭、去毒、杀虫能力。可吸附肠胃中的毒菌治疗腹泻；40g/m3凹凸棒石能使气体中的NH3由100×10-9降低到18×10-9；凹凸棒石细小针状颗粒对昆虫表面磨蚀及对昆虫类脂化合物吸附，导致昆虫快速死亡，以及军工用于防护装置吸附毒气，吸除动、植物油色素、黄曲霉素及臭味等。13二、PAL材料简介1、PAL材料的基本概念PAL材料是是以天然生态无机非金属矿物为原料，经集成现代工艺技术制造的高纯（≥90%）、超微（≤3μm）性能优化、环境友好的生态新型材料。以palygorskite的前三个英文字母表示。2、加工技术工艺147%7%79%4%3%安徽江苏甘肃川、滇、贵国外3、资源优势突出甘肃坡缕石远景储量占世界各类储量总量的近80%。世界各种储藏总量约14亿吨，甘肃省拥有资源约11亿吨。154、PAL材料的基本性能（1）PAL材料的结构构造①层、链、纤维状晶体结构与纳米级孔穴通道构造PAL材料的结构构造为层、链、纤维状晶体结构和纳米级孔穴通道的构造。其为单斜晶系，晶体结构属2∶1型非金属矿物，即二层硅氧四八面体，其四面体与八面体的排列方式为层状结构。在每个2∶1层中，四面体边角顶隔一定距离方向颠倒，形成层、链状结合特征。在四面体条带间形成与链平行，贯穿骨架的通道，通道截面约为0.37nm×0.63mm，通道为水分子填充，为平行于纤维的沸石水（H2O）和与镁离子配位的结晶水（OH2），具有表面吸附水（H2O）和与八面体阳离子配位的结晶水（OH）。其晶体结构为针状，由细长中空管组成。PAL材料表面微形貌表现在表面的不平坦起伏，尤其解理面极为粗糙，有1—2nm的台阶出现，呈现扭曲和螺旋的复杂微形貌。平行纤维隧道孔隙占纤维体积的1/2以上，内外比表面积可观，孔道效应显著。PAL材料层之间以分子键结合，即使有K+、Na+，K—O，Na—O键的结合力也远小于Si—O或Mg—O的键合力，水分子、金属原子、有机分子可进入层间，使层间距离（层间域）有可变性。16②硅氧四面体③镁—氧八面体④分形结构PAL材料微粒互相靠近时，中间可容纳一定的空隙，当两个胶团各自包含若干初级微粒的粒子再聚团时，其间又出现一定的空隙，且随着团粒的增大空隙密度也相应变大，并可继续推进。PAL材料聚集体是由许多形貌不规则的微粒群体集合而成，在介质、电负性、键力等条件下，群体包含着与整体相似性规律，存在着内部结构的自相似，介于微观与宏观之间的中间状态，即分形结构。17（2）吸附性能PAL材料的吸附性能取决于它较大的比表面积，特殊的表面物理化学结构及离子状态，因而它的吸附作用包含了以下物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型。①物理吸附吸附剂与吸附质之间分子间引力（范德华力）而产生的吸附为物理吸附。由氢键产生的吸附也属于物理吸附。PAL材料表面由于原子作用力不平稳，具有表面能而产生吸附作用。PAL材料较大的外比表面积和晶体内部的沸石通道存在赋予的巨大内比表面积，干燥后的聚集体间形成大小不均一的次生孔隙，使PAL材料比表面积大、孔隙发育、比表面积高达215m2/g，优化后，比表面积可达±960m2/g，故物理吸附明显。18②化学吸附由吸附剂和吸附质之间的化学键力而产生化学吸附。PAL材料的吸附作用发生在表（界）面上。其表面具有壳层结构，为表面层和吸附层。表面层的结构实际更接近于气态，表面原子活性大，容易吸附气体而形成吸附层。由于PAL材料微粒表面几个原子层可沿垂直晶面方向位移，发生收缩膨胀和原子排列上的不规则（高低不平），比较容易出现空位与负载杂质元素，表面几个原子层结构与晶体内部点阵结构很不一致，表现出晶格缺陷、晶体表面成分偏析及对外来原子或分子的吸附。同时，PAL材料颗粒边缘还具有电荷不饱和性，有强的吸附其他离子的性能。19③离子交换性吸附离子交换性吸附发生在溶液和其他介质中。吸附质表面吸附的离子，可以和溶液中的同号离子发生交换作用，这种作用即为离子交换作用。常见的PAL材料结合的交换吸附阳离子为：Ca2+、Mg2+、H1+、K1+、NH4+、Na+、Al3+和Fe2+和阴离子SO42-、Cl1-、PO32-和NO31-。交换顺序与离子的水合半径有关。PAL材料离子交换吸附来源于表面电荷，产生表面电荷的根源是PAL材料的结构电荷与外表面破键，根据电荷中性原理，必然产生对异号离子的吸附，属于离子键吸附，只是这种离子键力相对较弱，因而PAL材料离子交换吸附相对比较小。20④PAL材料强烈的选择性吸附A、对重金属离子的选择性吸附PAL材料对重金属离子的选择性吸附是对离子、分子的带电性和极性的选择性。PAL材料选择性吸附是指在常量（或大量）浓度的碱土金属和碱金属离子存在时，对痕量重金属离子的吸附作用，它属于静电吸附作用，选择性吸附的对象往往是Ag1+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+、Hg2+等。B、对阳性极性有机分子的选择性吸附PAL材料对阳性极性有机分子的选择性吸附表现为对分子、离子直径大小的选择性。PAL材料的孔径分布分为晶体内部孔和聚集体孔两种类型，前者以中孔为主（50—500）×10-10m，后者包括了较多的孔类型，有微孔（20×10-10m）、中孔[（20-50）×10-10]m、大孔（＞500×10-10）m。21（3）催化性能PAL材料为一维天然纳米材料，由于小尺寸、表面积大、表面与晶体内部键态和电子态存在差异，表面配位缺失、晶格缺陷使活性位置增多，具备了催化性的基本条件。（4）胶体性能PAL材料是天然一维纳米材料，其分散于介质（液体或其他）中可成为胶体体系。PAL材料可以在水、非水溶液和固相中分散，故可以生成水溶胶，非水溶胶和固溶胶。PAL材料胶体体系的制备非常简易，因为它充分满足了胶体体系制备的①分散相在介质中的溶解度必须极小；②有稳定剂存在，这两个最基本条件。而且，PAL材料本身的纳米材料的微粒性、多种特性性能，可以少用稳定剂或在一定周期不用稳定剂。22（5）流变性能PAL材料在介质中高分散形成的体系，产生“固—液两相性”共存，即具有液体的粘性，又具有固体的弹性的所谓“粘弹性”现象，表现出非牛顿流体的特征，即流变性能。（6）热稳定性PAL材料是一维纳米矿物材料，其热稳定性主要在于自身较低的热导率（0.06w/m·℃），以及其高分散性构成聚集体的多孔结构。低温下（＜450℃）主要为原子分子间距加大，相对高温下（＞600-700℃）为晶体折叠收缩结果。不同温度下发生的结构、形貌、性质变化规律等是其热处理应用的重要原理基础，有些应用取决于PAL材料的热稳定性。23项目单位数据项目单位数值颗粒密度g/m32.05-2.30pH6.5-8.5吸兰量mmol/100g21.00-41.70脱色率≥150.00吸水率%＞10