蒙脫石的結構特點及物理化學性質

發布時間:2021-05-25  浏覽次數:
蒙脫石是含少量堿金屬和堿土金屬的層狀水鋁矽酸鹽礦物,其結構層爲2:1型,層間具有水分子和可交換陽離子的二八面體型鋁矽酸鹽,以蒙脫石爲主要礦物成分的黏土稱爲膨潤土。
 
1、蒙脫石的結構特點
 
晶格內的異價類質同象置換是蒙脫石最基本、最主要的構造特性,蒙脫石的晶體結構是由兩層矽氧四面片和一層夾于其間的鋁(鎂)氧(羟基)八面體片構成,其矽氧四面體中的Si4+常被Al3+置換,鋁氧八面體中的Al3+可被Mg2+、Fe2+等低價陽離子置換,使晶體層(結構層)間産生多余的負電荷(永久性負電荷)。
 
 
爲了保持電中性,晶層間吸附了大半徑的陽離子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Li+、H+等,這些陽離子是以水化狀態出現,並且是可相互交換的,使蒙脫石族礦物具有離子交換力等一系列特性。
 
2、蒙脫石的物理化學性質
 
蒙脫石的形態、成分和結構特點決定了它的優良吸附性、陽離子交換性、分散懸浮性、可塑性、黏結性等。
 
(1)表面電性
 
蒙脫石的表面電性來自于以下三方面:
  • 層電荷:每個晶胞最高可達0.6,且不受介質pH值的影響。這是蒙脫石表面負電性的主要原因。

  • 破鍵電荷:産生于四面體片的基面、八面體片的端面,系Si-O破鍵和Al-O(OH)破鍵的水解作用所致。當pH值小于7時,破鍵吸引H+,表面帶正電;當pH值大于7時,表面帶負電。

  • 八面體片中離子離解形成的電荷:在酸性介質中,OH-離解占優勢,端面電荷爲正電;在堿性介質中,Al3+離解占優勢,端面電荷爲負電;pH值爲9.1左右爲等電點。

 
(2)膨脹性
 
蒙脫石吸水或吸附有機物質後,晶層間距增大,體積膨脹。鈣蒙脫石的吸水率和膨脹倍數大大低于鈉蒙脫石。鈉蒙脫石的膨脹倍數高達20-30倍,而鈣蒙脫石僅幾倍至十幾倍。
 
(3)分散懸浮性和造漿性
 
蒙脫石在水介質中能分散成膠體狀態。鈉蒙脫石遇水膨脹可形成永久性的懸浮液或乳濁液。這種懸浮液具有一定的黏滯性、觸變形和潤滑性。蒙脫石的造漿性不如坡縷石和海泡石好,鈉蒙脫石的造漿率可達10m3/t,鈣蒙脫石的造漿率較低。
 
(4)陽離子交換性和吸附性
 
蒙脫石的結構單元是兩個矽氧四面體層夾一個鋁氧八面體組成,靠共用的氧原子連接,其層間的陽離子可以交換,這些可交換的陽離子爲鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、锂等,並很容易使顆粒分裂成帶電膠體,晶層間被吸附的陽離子具有可交換性。天然蒙脫石在pH值爲7的水介質中的陽離子交換容量爲70-140mmol/100g(相當于每個晶胞帶0.5-1個靜電荷)。蒙脫石的離子交換主要是層間陽離子交換。晶體層面吸附的離子也具有交換性,且隨顆粒變細而增大。蒙脫石的陽離子交換能力主要與層間陽離子的類型有關。
 
此外,也受蒙脫石的粒度、結晶程度、介質性質等因素的影響。陽離子電價和水化能越高,代換性能越強,而被代換性也就越差。幾種常見陽離子在濃度相同條件下,交換能力的順序爲:Li+<Na+<K+<NH4+≤Mg2+<Ca2+<Ba2+。其中,Mg2+和Ca2+的交換能力差別不大,H+的位置在K+或NH4+的前面。因此,鈉蒙脫石的陽離子交換容量高于鈣蒙脫石。
 
利用蒙脫石的陽離子交換性可對其改型。因鈉蒙脫石的許多性能優于鈣蒙脫石,故常將鈣蒙脫石鈉化。
 
蒙脫石黏土具有優良的吸附性和脫色性。以蒙脫石爲主的白色黏土(pH值小于7,故稱爲酸性白土)爲蒙脫石的風化産物,其脫色率可達100%。用于食品、化工部門作吸附和脫色用的蒙脫石黏土,需進行活化處理以增強其吸附性能。
 
(5)熱性能
 
蒙脫石加熱至200-700℃出現緩慢的膨脹,到700-800℃時有一急劇膨脹過程,生成無水蒙脫石。接著有一個較大的收縮,直到950℃又重新開始膨脹。
 
鈉蒙脫石加熱至100℃後,陽離子交換容量有所增加;加熱至100-300℃後,陽離子交換容量有所降低;加熱至300-350℃後,陽離子交換容量有較明顯的降低;至390-490℃即喪失膨脹性能,陽離子交換容量降低到39mmol/100g。以上各性能,鈣蒙脫石相對鈉蒙脫石約低100℃。
 
(6)可塑性和黏結性
 
蒙脫石具有良好的可塑性能,其塑限和液限(即蒙脫石黏土呈可塑狀態時的下限和上限含水量)均大大高于高嶺石和伊利石,可達83%和25%。蒙脫石黏土成形後發生變形所需的外力較其他黏土礦物爲小。
 
蒙脫石的可塑性也與層間交換陽離子的種類有關。鈉蒙脫石和鈣蒙脫石的塑限和液限值有明顯差別。可塑性也與水分子層的厚度、顆粒形態及粒度有關。蒙脫石黏土具有優良的黏結性。同樣,鈉蒙脫石的黏結性優于鈣蒙脫石。
 
(7)吸附脫色性
 
蒙脫石黏土對各種氣體液體有機物質具有一定的吸附能力,最大吸附量可達自身質量的五倍,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。
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