1 伊利石的特性及分布
(中國粉體技術網/班建偉)伊利石是一種富鉀的2∶1型層間缺失的二八面體硅酸鹽云母類粘土礦物,屬于兩個硅氧四面體夾一個鋁氧八面體(即T-O-T)結構(圖1)。伊利石的結構與白云母相似,因部分硅氧四面體結構中的Si被Al取代而帶負電荷。伊利石的化學結構式為KyAl 4(Si 8-y ,Aly)O20(OH)4,通常1,在可能電荷不平衡的情況下,Ca和Mg可以取代K,層間的陽離子Mg2+、K+、Ca2+可以阻止水分子進入層間,因此伊利石無膨脹性。
天然伊利石礦主要由伊利石組成,同時存在石英、長石、高嶺石等伴生礦物。伊利石的化學成分為SiO2、Al2O3、K2O。純凈的伊利石為白色,因含雜質天然伊利石集合體一般呈黃綠色、灰綠色、灰黃色、灰白色、灰黑色等。伊利石的密度取決于濕存水的含量,密度變化范圍為2.12~2.66g/cm3。伊利石屬于單斜晶系,在電子顯微鏡下呈不規則的鱗片狀集合體,其粒徑通常在1~2μm以下。
2 伊利石的加工及應用新技術
天然伊利石礦資源大多含有雜質,因此加強伊利石提純加工是充分、合理利用資源的有效途徑。目前,國內外對質量低下的伊利石原礦的提純還沒有成熟工藝,參照硅藻土等粘土的提純方法,伊利石選礦提純工藝應包括:分級、高梯度磁選法、酸浸法、焙燒法、干法重力層析分離法、熱浮選礦、化學漂白法等。經過純化加工的伊利石粘土,可根據其礦物硬度、白度、化學成分中Al2O3、K2O的含量、伊利石粉純度、粒徑大小等指標的不同,而應用于不同工業領域。我國伊利石專利中主要應用領域是用作填料、涂料、水泥、陶瓷等的原料,其次是用于制鉀肥及水污染處理方面。
2.1 化肥工業
鉀肥
伊利石含鉀高,通過不同的工藝流程,可制得鉀氮肥、鉀鈣肥、氯化鉀等鉀復合肥。目前我國不少地區利用當地豐富伊利石原礦資源生產鉀肥。河南省平頂山市葉營伊利石礦,含K2O 5.79%,經焙燒提高反應活性,硫酸酸解(反應體系酸度50%左右,酸浸溫度95℃,6~8h),酸解反應的產物硫酸、硫酸鋁、硫酸鉀、硫酸鐵和其他微量硫酸鹽以及大量硅渣,經多次浸取,浸取液經氨化中和生成硫酸鉀銨和氫氧化鋁鐵沉淀,過濾分離后制得鉀氮肥(硫酸鉀銨)和氫氧化鋁、聚羥基鋁鐵、4A沸石等。
利用伊利石制取鉀氮肥不僅生產工藝簡單,原礦利用率高,而且可以有效改善我國鉀肥靠進口的情況。天然伊利石礦具有分散性、含鉀量高等特性,通過礦石焙燒,活化了的礦石中的K2O易從礦石中淋濾出來,形成易被植物吸收的K2O溶液,從而起到對植物施鉀肥的功能。
新型顆粒肥
除用于制作鉀肥外,伊利石還能用來做成一種新型顆粒肥,該新型顆粒肥主要由微量元素和粘土組成,微量元素主要是Fe(11%~13%)、Zn(3%~9%)、Mn(0.1%~2.5%)、Cu(0.5%~0.7%)、鉬酸銨(0~0.1%),粘土礦物主要有高嶺石、伊利石或蒙脫石按照一定的比例混合組成。這種新型顆粒肥中的粘土可以吸附顆粒肥中的微量營養元素,防止其濾去或反應,使植物可以更有效的吸收。該新型顆粒肥中的營養元素以硫酸鹽的形式存在,在水存下使土壤酸化,有利于堿性土壤中微量營養物的吸收。
2.2 吸水保水復合材料
伊利石與丙烯酸鈉、丙烯酰胺,采用溶液聚合法合成高吸水性復合材料。由伊利石加入的高吸水復合材料不僅具有傳統吸水樹脂的吸水保水性,且原材料成本低,環境相容性較好。伊利石較高含量的層間K+與丙烯酸鈉中的Na+進行離子交換,可以釋放鉀離子。高吸水保水復合材料作為一種質優價廉的抗旱節水材料和土壤改良劑,將在無土栽培、農田抗旱保水、改良土壤、防風固沙等方面有著廣闊的應用前景。
2.3 橡膠、塑料工業
近年來,具有耐低溫、熱穩定性高、阻燃、機械強度好的橡膠、塑料的填料引起廣泛關注,主要集中在無機納米填料,例如納米二氧化硅、納米層狀硅酸鹽(高嶺石、埃洛石、伊利石、蒙脫石等)方面的研究。用于填料的伊利石一般有兩種:經一般選礦處理得到的普通伊利石粉和對普通伊利石粉進行表面改性處理得到的活性伊利石粉。
郭愛鋒等以福建大田縣伊利石為原料,經粉碎、鋁鈦復合偶聯劑改性后制得天然橡膠填料。對活性伊利石與炭黑、輕質碳酸鈣、未改性伊利石四種橡膠填料對天然橡膠性能影響進行測試,結果表明活性伊利石填充體系的拉伸強度、定伸應力、耐熱空氣老化的效果等性能均優于炭黑和輕質碳酸鈣填充體系。
伊利石具有良好隔熱、絕緣性能及化學穩定性,天然粒度細、分散性好、資源豐富、價格較低,且煅燒后活性增強,是很好的功能性填料。伊利石作為主要原料,經過粉碎、表面改性、煅燒等加工,作為新型填料在橡膠和塑料行業中極具開發利用價值。
2.4 陶瓷業
伊利石是用于生產蒸煮罐、盤子、瓷磚等傳統陶瓷的主要粘土成分。伊利石在陶瓷生產原材料中的比例對陶瓷的生產工藝性能具有重要的影響,由于伊利石鉀含量較高,因此增加伊利石含量會降低熔點,從而產生較高比例玻璃相和降低水吸附。高溫塑性變形、線性收縮隨著伊利石含量的減少而減少。同時,伊利石中含鋁、硅量較高,易形成堿玻璃,抑制了多鋁紅柱石和方石英的形成,從而提高陶瓷制品的強度、化學穩定性及熱穩定性。
大多數伊利石粘土礦中存在TiO2、FeO或Fe2O3等顯色劑,影響陶瓷制品的白度和質量,因此含量越低越好。陶瓷配料中,伊利石的工業指標是Al2O3≥26%,K2O≥4%,Fe2O3+TiO2<0.8%,白度65%。由伊利石、蒙脫石、凹凸棒石組成的流變劑可以應用于新型陶瓷生產過程中孔體涂層的應用特性。在陶瓷工業,流變劑在給未加工的陶瓷體上施釉的過程中起著重要作用,伊利石流變劑可以調整釉料的成熟溫度及流動性能,增加釉漿的懸浮性。
2.5 化妝品和藥物
伊利石具有較高的陽離子交換能力和極細小的粒徑,用于化妝品可以吸收皮膚分泌物、毒素、油脂等。由于伊利石具有無毒、抗菌、除臭且可反射紫外線等特性,因此在化妝品中起到吸附重金屬和抗紫外線的作用。伊利石的pH值一般為6~7(接近人體的值),耐酸耐堿,化學性能穩定,礦物組分簡單,不含對人體有害的成分。
2.6 環保
伊利石層間有一價陽離子K+,廢水中的重金屬陽離子通過離子交換被除去。伊利石、高嶺
石及伊利石和高嶺石的復合物可以很好的吸附核裂變中產生的具有長期輻射危害的放射性廢棄物鍶和銫。伊利石粘土礦物對鍶、銫有兩個主要吸附位:層間陽離子交換位、粘土邊緣吸附位。鍶和銫等陽離子的吸附量與伊利石的陽離子交換能力相對應。同時,鍶、銫等吸附機理除了陽離子交換過程外,也可能通過擴散進入粘土空隙中。伊利石、蒙脫石、蛭石等層狀粘土,加上絮凝劑,螯合劑,催化劑,粘結劑,絡合劑等,再加上氫氧化鈣、金屬鹽、碳酸鈉、硼、硅膠等就可以制得廢水處理劑來處理水中的重金屬和放射性同位素。以伊利石為載體,加氫氧化鈉、硝酸鈰等制成處理劑可以有效的處理水中的藍藻。伊利石還可以制作核廢料儲存中的緩沖劑,在一定程度上消除放射性污染。
2.7 建筑業
伊利石礦物有較高的鋁含量能夠提高制品強度,較高的鉀含量可以降低燒成溫度,因此可作為生產墻地磚的原料及石膏板的配料。伊利石用于燒制墻地磚,產品實用性好、廉價、絕熱效果好。以十二烷胺和乳化瀝青添加到伊利石粘土原料中,制得的墻地磚可以增加抗壓強度和降低吸水率,使其廣泛應用現代建筑工業中。
2.8 伊利石的其他用途
伊利石、蒙脫石等粘土礦物可以吸附DNA、蛋白質等,因此可以作為DNA、蛋白質的載體,在基因治療方面得以應用。伊利石作為載體,具有無毒、安全的特點。伊利石與蛋白質可以形成復合物,在體內中性、堿性環境下,蛋白石釋放出來,用來治療疾病。納米級的伊利石可作藥物載體,從而達到藥物的可控釋放,這在藥物應用方面極具開發利用價值
伊利石具有較好的化學惰性、電絕緣性、絕熱性等特性,因此還用來制備阻燃無紡布,應用于阻燃電力電纜、阻燃橡膠電纜等方面。
此外,由于天然伊利石粉末放射的遠紅外線能夠分解或除去各種食物釋放的臭味,同時能夠活化食物中的水分子,使保鮮,妨礙氧化,因此可以避免食物的變質。
3 結語
伊利石和其他各類粘土礦物新材料類似,有著廣闊應用前景和市場潛力。但是伊利石在應用中仍然存在一些問題,有待解決:①由于伊利石成分多變,所以應該深入研究伊利石的提純工藝,充分提高伊利石原礦利用率;②進一步的研究伊利石的獨特物理化學性質,完善提純工藝條件下,積極開發新產品,對伊利石進行深加工,向超純、超細方向發展;③伊利石為原料制備功能性納米填料,將在新型陶瓷、高級紙張、塑料、橡膠、化妝品方面發揮重要作用;④伊利石具有抗菌等作用,應進一步開發其在藥物方面的應用。
|