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伊利石矿物的介绍和在工业领域的应用
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-06-29 11:20:29    浏览次数:
 
1 伊利石的特性及分布

      (中国粉体技术网/班建伟)伊利石是一种富钾的2∶1型层间缺失的二八面体硅酸盐云母类粘土矿物,属于两个硅氧四面体夹一个铝氧八面体(即T-O-T)结构(图1)。伊利石的结构与白云母相似,因部分硅氧四面体结构中的Si被Al取代而带负电荷。伊利石的化学结构式为KyAl 4(Si 8-y ,Aly)O20(OH)4,通常1,在可能电荷不平衡的情况下,CaMg可以取代K,层间的阳离子Mg2+K+、Ca2+可以阻止水分子进入层间,因此伊利石无膨胀性。

       天然伊利石矿主要由伊利石组成,同时存在石英、长石、高岭石等伴生矿物。伊利石的化学成分为SiO2、Al2O3、K2O。纯净的伊利石为白色,因含杂质天然伊利石集合体一般呈黄绿色、灰绿色、灰黄色、灰白色、灰黑色等。伊利石的密度取决于湿存水的含量,密度变化范围为2.12~2.66g/cm3。伊利石属于单斜晶系,在电子显微镜下呈不规则的鳞片状集合体,其粒径通常在1~2μm以下。
中国粉体技术网 伊利石结构示意图
2 伊利石的加工及应用新技术
       天然伊利石矿资源大多含有杂质,因此加强伊利石提纯加工是充分、合理利用资源的有效途径。目前,国内外对质量低下的伊利石原矿的提纯还没有成熟工艺,参照硅藻土等粘土的提纯方法,伊利石选矿提纯工艺应包括:分级、高梯度磁选法、酸浸法、焙烧法、干法重力层析分离法、热浮选矿、化学漂白法等。经过纯化加工的伊利石粘土,可根据其矿物硬度、白度、化学成分中Al2O3、K2O的含量、伊利石粉纯度、粒径大小等指标的不同,而应用于不同工业领域。我国伊利石专利中主要应用领域是用作填料、涂料、水泥、陶瓷等的原料,其次是用于制钾肥及水污染处理方面。
2.1 化肥工业
钾肥
       伊利石含钾高,通过不同的工艺流程,可制得钾氮肥、钾钙肥、氯化钾等钾复合肥。目前我国不少地区利用当地丰富伊利石原矿资源生产钾肥。河南省平顶山市叶营伊利石矿,含K2O 5.79%,经焙烧提高反应活性,硫酸酸解(反应体系酸度50%左右,酸浸温度95℃,6~8h),酸解反应的产物硫酸、硫酸铝、硫酸钾、硫酸铁和其他微量硫酸盐以及大量硅渣,经多次浸取,浸取液经氨化中和生成硫酸钾铵和氢氧化铝铁沉淀,过滤分离后制得钾氮肥(硫酸钾铵)和氢氧化铝、聚羟基铝铁、4A沸石等。
       利用伊利石制取钾氮肥不仅生产工艺简单,原矿利用率高,而且可以有效改善我国钾肥靠进口的情况。天然伊利石矿具有分散性、含钾量高等特性,通过矿石焙烧,活化了的矿石中的K2O易从矿石中淋滤出来,形成易被植物吸收的K2O溶液,从而起到对植物施钾肥的功能。
新型颗粒肥
       除用于制作钾肥外,伊利石还能用来做成一种新型颗粒肥,该新型颗粒肥主要由微量元素和粘土组成,微量元素主要是Fe(11%~13%)、Zn(3%~9%)、Mn(0.1%~2.5%)、Cu(0.5%~0.7%)、钼酸铵(0~0.1%),粘土矿物主要有高岭石、伊利石或蒙脱石按照一定的比例混合组成。这种新型颗粒肥中的粘土可以吸附颗粒肥中的微量营养元素,防止其滤去或反应,使植物可以更有效的吸收。该新型颗粒肥中的营养元素以硫酸盐的形式存在,在水存下使土壤酸化,有利于碱性土壤中微量营养物的吸收。
2.2 吸水保水复合材料
       伊利石与丙烯酸钠、丙烯酰胺,采用溶液聚合法合成高吸水性复合材料。由伊利石加入的高吸水复合材料不仅具有传统吸水树脂的吸水保水性,且原材料成本低,环境相容性较好。伊利石较高含量的层间K+与丙烯酸钠中的Na+进行离子交换,可以释放钾离子。高吸水保水复合材料作为一种质优价廉的抗旱节水材料和土壤改良剂,将在无土栽培、农田抗旱保水、改良土壤、防风固沙等方面有着广阔的应用前景。
2.3 橡胶、塑料工业
       近年来,具有耐低温、热稳定性高、阻燃、机械强度好的橡胶、塑料的填料引起广泛关注,主要集中在无机纳米填料,例如纳米二氧化硅、纳米层状硅酸盐(高岭石、埃洛石、伊利石、蒙脱石等)方面的研究。用于填料的伊利石一般有两种:经一般选矿处理得到的普通伊利石粉和对普通伊利石粉进行表面改性处理得到的活性伊利石粉。
       郭爱锋等以福建大田县伊利石为原料,经粉碎、铝钛复合偶联剂改性后制得天然橡胶填料。对活性伊利石与炭黑、轻质碳酸钙、未改性伊利石四种橡胶填料对天然橡胶性能影响进行测试,结果表明活性伊利石填充体系的拉伸强度、定伸应力、耐热空气老化的效果等性能均优于炭黑和轻质碳酸钙填充体系。
       伊利石具有良好隔热、绝缘性能及化学稳定性,天然粒度细、分散性好、资源丰富、价格较低,且煅烧后活性增强,是很好的功能性填料。伊利石作为主要原料,经过粉碎、表面改性、煅烧等加工,作为新型填料在橡胶和塑料行业中极具开发利用价值。
2.4 陶瓷业
       伊利石是用于生产蒸煮罐、盘子、瓷砖等传统陶瓷的主要粘土成分。伊利石在陶瓷生产原材料中的比例对陶瓷的生产工艺性能具有重要的影响,由于伊利石钾含量较高,因此增加伊利石含量会降低熔点,从而产生较高比例玻璃相和降低水吸附。高温塑性变形、线性收缩随着伊利石含量的减少而减少。同时,伊利石中含铝、硅量较高,易形成碱玻璃,抑制了多铝红柱石和方石英的形成,从而提高陶瓷制品的强度、化学稳定性及热稳定性。
       大多数伊利石粘土矿中存在TiO2、FeO或Fe2O3等显色剂,影响陶瓷制品的白度和质量,因此含量越低越好。陶瓷配料中,伊利石的工业指标是Al2O3≥26%,K2O≥4%,Fe2O3+TiO2<0.8%,白度65%。由伊利石、蒙脱石、凹凸棒石组成的流变剂可以应用于新型陶瓷生产过程中孔体涂层的应用特性。在陶瓷工业,流变剂在给未加工的陶瓷体上施釉的过程中起着重要作用,伊利石流变剂可以调整釉料的成熟温度及流动性能,增加釉浆的悬浮性。
2.5 化妆品和药物
       伊利石具有较高的阳离子交换能力和极细小的粒径,用于化妆品可以吸收皮肤分泌物、毒素、油脂等。由于伊利石具有无毒、抗菌、除臭且可反射紫外线等特性,因此在化妆品中起到吸附重金属和抗紫外线的作用。伊利石的pH值一般为6~7(接近人体的值),耐酸耐碱,化学性能稳定,矿物组分简单,不含对人体有害的成分。
2.6 环保
       伊利石层间有一价阳离子K+,废水中的重金属阳离子通过离子交换被除去。伊利石、高岭
石及伊利石和高岭石的复合物可以很好的吸附核裂变中产生的具有长期辐射危害的放射性废弃物锶和铯。伊利石粘土矿物对锶、铯有两个主要吸附位:层间阳离子交换位、粘土边缘吸附位。锶和铯等阳离子的吸附量与伊利石的阳离子交换能力相对应。同时,锶、铯等吸附机理除了阳离子交换过程外,也可能通过扩散进入粘土空隙中。伊利石、蒙脱石、蛭石等层状粘土,加上絮凝剂,螯合剂,催化剂,粘结剂,络合剂等,再加上氢氧化钙、金属盐、碳酸钠、硼、硅胶等就可以制得废水处理剂来处理水中的重金属和放射性同位素。以伊利石为载体,加氢氧化钠、硝酸铈等制成处理剂可以有效的处理水中的蓝藻。伊利石还可以制作核废料储存中的缓冲剂,在一定程度上消除放射性污染。
2.7 建筑业
       伊利石矿物有较高的铝含量能够提高制品强度,较高的钾含量可以降低烧成温度,因此可作为生产墙地砖的原料及石膏板的配料。伊利石用于烧制墙地砖,产品实用性好、廉价、绝热效果好。以十二烷胺和乳化沥青添加到伊利石粘土原料中,制得的墙地砖可以增加抗压强度和降低吸水率,使其广泛应用现代建筑工业中。
2.8 伊利石的其他用途
       伊利石、蒙脱石等粘土矿物可以吸附DNA、蛋白质等,因此可以作为DNA、蛋白质的载体,在基因治疗方面得以应用。伊利石作为载体,具有无毒、安全的特点。伊利石与蛋白质可以形成复合物,在体内中性、碱性环境下,蛋白石释放出来,用来治疗疾病。纳米级的伊利石可作药物载体,从而达到药物的可控释放,这在药物应用方面极具开发利用价值
       伊利石具有较好的化学惰性、电绝缘性、绝热性等特性,因此还用来制备阻燃无纺布,应用于阻燃电力电缆、阻燃橡胶电缆等方面。
       此外,由于天然伊利石粉末放射的远红外线能够分解或除去各种食物释放的臭味,同时能够活化食物中的水分子,使保鲜,妨碍氧化,因此可以避免食物的变质。
3  结语
       伊利石和其他各类粘土矿物新材料类似,有着广阔应用前景和市场潜力。但是伊利石在应用中仍然存在一些问题,有待解决:①由于伊利石成分多变,所以应该深入研究伊利石的提纯工艺,充分提高伊利石原矿利用率;②进一步的研究伊利石的独特物理化学性质,完善提纯工艺条件下,积极开发新产品,对伊利石进行深加工,向超纯、超细方向发展;③伊利石为原料制备功能性纳米填料,将在新型陶瓷、高级纸张、塑料、橡胶、化妆品方面发挥重要作用;④伊利石具有抗菌等作用,应进一步开发其在药物方面的应用。

 
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