膨润土

膨润土（Bentonite）又称膨土岩、斑脱岩，是一种以蒙脱石（Montmorillonite）为主要矿物的黏土岩。它是含少量碱金属和碱土金属的层状水铝硅酸盐矿物。

膨润土的矿物成分以蒙脱石为主，含量一般40%～94%，含量越高膨润土质量越好。此外，膨润土还含有长石、石英、伊利石、沸石、高岭石、云母等矿物。

膨润土的主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃、H₂O，其次是FeO、Fe₂O₃、CaO、Na₂O、K₂O、TiO₂等，其理论分子结构式为［（1/2）Ca，Na］_x（H₂O）₄{（Al_2-xMg_x）［Si₄O₁₀］（OH）₂}

膨润土通常呈现多种颜色，包括白色、灰色、粉红色、黄色和褐黑色等；具有油脂和蜡状光泽；断口为贝壳状或锯齿状。其形态常常呈现出土状隐晶质块体，有时也会呈现出细小鳞片状或球粒状的形态。莫氏硬度为2～2.5,密度在2～2.7g/cm3之间。膨润土性软有滑感，可以吸水膨胀。

膨润土具有良好的阳离子交换性、分散性与悬浮性、可塑性和黏结性、膨胀性等特性。

膨润土的主要成分是蒙脱石。蒙脱石是一种含有可交换阳离子如Na、Ca、Mg、H和K等的黏土矿物。这些阳离子可以与水和有机极性分子共存于相邻的结构单元层之间，或者存在于晶体的端面。阳离子交换能力主要取决于层间阳离子的类型，同时也受到矿物颗粒大小、结晶程度以及介质性质等因素的影响。阳离子电价和水化能力越高，被交换性能就越差。在相同浓度下，常见阳离子的被交换能力顺序为：Li > Na > H > K > NH > Mg ≥ Ca > Ba。膨润土的阳离子交换容量通常在60～170mmol/100g之间。利用阳离子交换性能，可以将钙基膨润土改型为钠基膨润土，从而提高其性能。

钠基膨润土在水中会膨胀，并形成一种具有一定黏滞性、触变性和润滑性的永久性乳浊液或悬浮液。相比之下，钙基膨润土的膨胀倍数较小，虽然也可以迅速分散，但一般会很快絮凝沉淀。为了评价膨润土的悬浮性，通常使用悬浮液(22.5g膨润土与300mL蒸馏水混合)的黏度和屈服点，或者通过压滤计算水的损失量等方法进行定量评估。

膨润土具有很好的可塑性和黏结性。它的塑性指数比高岭石黏土更高，但在成型后需要更大的外力才能发生变形。这种可塑性和黏结性与蒙脱石层间可交换阳离子的种类、水层的厚度以及颗粒大小和形态有关。一般情况下，钠基膨润土的可塑性和黏结性要优于钙基膨润土。

膨润土的膨胀性与种属有关，钠质膨润土的膨胀性明显比钙质膨润土要强，另外纯度较高、蒙脱石含量高的膨润土的膨胀性也要强。膨润土吸水后会膨胀，这是因为蒙脱石层间可交换阳离子的种类、水层的厚度以及颗粒大小和形态等因素影响了膨润土的膨胀性。

膨润土矿是蒙皂石族矿物达到可利用含量（50%-80%）的黏土或黏土岩，蒙皂石族矿物属于2:1型层状结构，具有膨胀性的含水铝硅酸盐，该族矿物层间充填了水分子和可交换的阳离子，并能吸附有机分子。按结构特点，可将蒙脱石-皂石族矿物可划分为二八面体型（蒙脱石亚族）和三八面体型（皂石亚族）两类。

表2、蒙皂石族矿物分类

膨润土矿所含的矿物通常为二八面体型的蒙脱石亚族，主要成分是蒙脱石，因此蒙脱石的特性决定了膨润土的基本性能。

蒙脱石是一种单斜晶系的层状硅酸盐，由两层硅氧四面体片和一层夹于其间的铝（镁）氧（羟基）八面体片构成。

图1、蒙脱石晶体结构示意图

硅氧四面体片形成了近似六方环网状结构，而铝（镁）氧（羟基）八面体则以中心原子为核心，并通过O(OH)与相邻八面体连接。这些晶格中常发生离子置换，产生负电荷，因此需要吸附大半径阳离子来保持电中性。这使得蒙脱石族矿物具有离子交换等特性。

图2、硅氧四面体

图3、铝（镁）氧（羟基）八面体片立体图

膨润土的微观结构从大到小依次包含：大颗粒、集聚体、层叠体、片晶层等。

图4、膨润土微观机构示意图（修自Nasir et a.(2017))

膨润土（bentonite）最早是由美国地质学家W.C.Knight在1888年发现，并在1898年将这种黏土命名为“Bentonite”，该名称来源其位于美国怀俄明州落基山河附近的钠基膨润土产地“Fort Benton”。

最初膨润土是指代那些比普通可塑性黏土吸水能力更强（可达到5倍质量），且体积膨胀显著（比干燥状态约胀大15倍），并成凝胶状态的黄绿色黏土。后来，一些人开始将具有膨润土部分物理性质的黏土统称为膨润土。

在20世纪初，一些地质学家认为膨润土主要是由火山物质蚀变而成的结晶的黏土矿物所组成。而另一些岩石工作者则提出将从火山物质变化而成、主要含有蒙脱石或贝得石或两者都含有的岩石归入膨润土(或称膨润岩)类中。

1972年在西班牙马德里举行的国际黏土会议（AIPEA）上，R.E.Girm对膨润土提出了广泛定义——膨润土是以蒙脱石类矿物为主要组分的岩石，是蒙脱石矿物达到可利用含量的黏土或黏土岩。

膨润土矿床通常呈层状产于火山沉积地层中，形成时代跨越了从侏罗纪到更新世。其主要矿物为蒙脱石，膨润土矿床中常伴生有沸石、珍珠岩、松脂岩、含碱玻璃原料等矿产。

蒙脱石的形成过程，实质上是长石类矿物（主要是斜长石等）、云母类矿物（主要是黑云母等）以及铁镁硅酸盐矿物等玻璃物质在水介质中脱玻和重结晶的过程。火山玻璃物质在含有足够的镁、适量的钙、钠以及少量钾存在的碱性介质条件下可以转变生成蒙脱石，这些介质条件在表生风化作用、沉积-成岩作用及热液蚀变作用下均可以达到，所以膨润土矿床即可能表生风化条件下形成，也可在沉积-成岩、热液蚀变条件下形成。

下表列举了沉积型、残积型和热液型三种成因的矿床类型及其特征。

表1、膨润土矿床类型及其特征

对于膨润土的分类目前存在多种分类方式。

①高膨胀（钠型）膨润土，可交换阳离子以Na为主，遇水高度膨胀，且形成胶体。

②低膨胀（钙型）膨润土，可交换阳离子以Ca为主，与水混合膨胀能力较低（略大于普通黏土），且崩解为颗粒。

③中膨胀（过渡型或混合型）膨润土，可交换阳离子为Na和Ca，膨胀能力中等，与水混合形成的胶体比钠型膨润土低。

①钠基膨润土，E（Na）×100%/QCEC≥50%；

②钙基膨润土，E（Ca）×100%/QCEC≥50%；

③镁基膨润土，E（Mg）×100%/QCEC≥50%；

④铝（氢）基膨润土，［E（Al）+E（H）］×100%/QCEC≥50%。

公式中E表示可交换性的阳离子量；QCEC为阳离子交换容量。

按共生矿物种类，则可将膨润土划分为5个类型：蒙脱石型；高岭石-蒙脱石型；伊利石-蒙脱石型；绿泥石-蒙脱石型；沸石-蒙脱石型。

在国标《GB/T 20973 膨润土》中，按膨润土属性、用途、产品规格也做了分类。

当

时，为钠基膨润土，以NaB标示；

当

时，为钙基膨润土，以CaB标示；

钠基膨润土分为天然钠基膨润土和人工钠化膨润土，分别以NNaB和ANaB表示。

钠基膨润土比钙基膨润土有更高的膨胀性和阳离子交换容量，在水中的分散性好，而且胶质价高，黏性、润滑性及热稳定性俱佳。此外，触变性、热湿拉强度和干压强度也较好。

膨润土按用途可分为四类，铸造用膨润土，以F表示；冶金球团用膨润土，以P表示；钻井泥浆用膨润土，以M表示；土木工程用膨润土，以E表示。

钻井泥浆用膨润土分三个品种：钻井级膨润土，未处理膨润土，OCMA级膨润土。

土木工程用膨润土分三个品种：低黏膨润土，中黏膨润土，高黏膨润土。

在国标《GBT 27798-2011 有机膨润土》中，有机膨润土按功能和组分分为高黏度有机膨润土、易分散有机膨润土、自活化有机膨润土和高纯度有机膨润土四类。各类有机膨润土按插层表面活性剂亲水亲油平衡值不同分为低极性（Ⅰ级）、中极性（Ⅱ级）和高极性（Ⅲ级）三个型号。

高黏度有机膨润土、自活化有机膨润土和高纯度有机膨润土又各分为一级品和二级品两个等级。

地球上的膨润土资源非常丰富，主要分布在环太平洋带、环印度洋带和地中海-黑海带。主要资源国有中国、美国、俄罗斯、德国、意大利、日本及希腊等。

全球已知的膨润土资源储量为14.52亿吨（不含中国）。其中钠基膨润土资源约5亿吨，主要产地为美国怀俄明州等地，储量0.68亿～1.20亿吨；俄罗斯、意大利、希腊和中国也有分布。

中国拥有丰富的膨润土资源，储量已达50.87亿吨以上，总量超过80亿吨。不过大部分是钙基膨润土，主要分布在广西、新疆、内蒙古、江苏、河北、湖北、山东和安徽等省区。

对膨润土物化性能及工艺技术性能的评定，主要参考以下指标。

阳离子交换容量指的是膨润土中层间阳离子(如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Li+和H+)以及晶体边缘断键的总和。天然蒙脱石在pH为7的水介质中的阳离子交换容量通常在0.7～1.4mmol/g之间。虽然蒙脱石晶体端面所吸附的离子也具有可交换性，但它们在总交换容量中所占的比例非常小。影响膨润土交换容量大小的因素包括蒙脱石的含量、结合能、介质pH的值、粒度、温度以及可交换离子的种类等。

亚甲基蓝在水溶液中呈现为一价有机阳离子，可以与膨润土的蒙脱石层间阳离子进行交换。在水溶液中，膨润土吸附亚甲基蓝的能力被称为吸蓝量，以每克膨润土吸附亚甲基蓝的物质的量(mol/g)来表示。由于蒙脱石含量越高，吸蓝量就越大，因此吸蓝量可以作为评价膨润土中蒙脱石含量的主要指标之一。

膨润土的许多特性，如分散、膨胀、触变、可塑等性能都是在水介质中特有的。膨润土与水按比例混合后，加一定量氧化镁，使其凝聚形成胶体的体积，称为胶质价（colloide valency），单位为cm/g；而膨润土与水混合后再与盐酸溶液混匀、膨胀后所占的体积，为膨胀倍数或膨胀容量（dilatation capacity），单位为mL/g。胶质价与膨胀系数是表征膨润土水化特征的参数。

湿态抗压强度是膨润土与标准砂和水按比例混碾后，形成黏土膜将砂粒包裹，砂粒彼此间被黏土膜所粘连而具有的强度，将其制成标准试件后用强度试验机测得的湿态抗压强度。

膨润土与水混合形成悬浮液，可用于阻燃物、煤的悬浮分离等。

钠基膨润土钻井泥浆是一种常用的钻井液，它具有失水量小、含砂少、密度低、黏度好、性质稳定、固壁能力强、钻具回转阻力小等优点，因此能够提高钻井效率。此外，膨润土悬浮液还具有黏度大、覆盖能力强、不燃烧等特点，可用于灭火喷射到燃烧物上，形成覆盖薄膜，隔绝空气，迅速灭火。

膨润土是冶金工业铁矿球团和铸造型砂的良好黏结剂。

钠基膨润土作为铸型砂的黏结剂可增强抗夹砂能力，解决砂型坍塌问题。使用其配制的型砂在各种状态下的抗压、抗拉强度等综合性能优异，能够提高铸件质量和成品率。

膨润土是一种具有强吸附性能的天然矿物质，无毒、无味。它可以用于食物油的精制、脱色和滤毒，还可以用于净化汽油、煤油、特殊矿物油和石蜡等工业产品。此外，膨润土对放射性元素Cs、Rb等具有较强的吸附和固定作用，可用于放射性废物的处理。经过处理的膨润土也可以用于含油废水、含菌废水的净化，以及吸附悬浮物。膨润土在环保领域也有着广泛的应用。

将膨润土添加到造纸原料中，可以使纸浆脱色增白，从而生产出洁白柔软的纸张。在肥皂和洗衣粉中添加膨润土，可以有效吸附污物和细菌，提高清洁剂的效果。此外，膨润土还可以作为涂料填料使用，它可以改善涂料的涂敷性、附着性、掩盖性、平整性、耐水性和耐洗性等性能。

膨润土稠化剂是一种有机蒙脱石复合物，是由有机阳离子取代蒙脱石中可交换阳离子后制成的，它具有抗压性强、抗水性好和胶体安定性好等特点，是制造润滑脂、橡胶、塑料和油漆等产品的重要原料之一。其中，膨润土润滑脂是一种高温脂，使用温度范围广(从零下几十摄氏度到一百多摄氏度),具有抗挤压性强、抗水性好、安定性好和使用寿命长的特点，常用于大型喷气客机、歼击机、坦克、冶金高温设备和合成纤维设备等高温、高负荷摩擦部件的润滑剂。

膨润土还可以用于制造陶瓷、橡胶、塑料、涂料等工业产品中，以及作为土壤改良剂、水质净化剂等方面。

膨润土的主要应用如下表所示。

表1、膨润土及其制品的主要应用

膨润土的加工技术主要是提纯、改型、活化、改性（有机土制备）、交联（柱撑蒙脱石）及复合等。

针对蒙脱石含量较高的膨润土原矿可以进行选矿提纯，一般有人工拣选、风选（干法）和水选（湿法）三种方法。

湿法提纯过程离心分离后的膨润土也可直接用于生产活性白土，另外使用偏重硫酸盐法提纯可得到蒙脱石含量90%以上的高纯度膨润土精矿。

图5、膨润土湿法提纯工艺流程

钠基膨润土的工艺技术性能明显优于钙基膨润土，但自然界中的膨润土大部分是钙基膨润土。利用膨润土的阳离子交换性能可改变蒙脱石层间可交换阳离子的种类，用Na将Ca、Mg置换出来，将钙基膨润土转换成钠基膨润土，从而改善或提高膨润土物化性能。

一般的方法是在钙基膨润土中加入钠盐（通常是Na₂CO₃），进行离子交换反应，可采用悬浮液法、堆场钠化（陈化）法和挤压法等方法记性改型。其反应机理如下所示。

也可以用锂离子（常用碳酸锂）置换钙离子或镁离子，将钙基膨润土改型为锂基膨润土。

天然膨润土的吸附能力较差，通过酸活化处理后可以提高其吸附性能，以满足食品、化工、环保、石油等应用领域的要求。经活化后的膨润土称为活性白土或漂白土。

活化的原理是用H置换蒙脱石中的可交换钙或镁离子，目前工业上常使用湿法工艺生产，其主要的工序包括原料干燥粉碎——酸化（常用盐酸或硫酸）——洗涤——过滤——干燥——磨粉。活化后的膨润土比表面积增大，脱色吸附能力也随之提升。

有机离子也可以像无机离子一样与蒙脱石进行阳离子交换。改性是指用有机长链季铵盐阳离子置换蒙脱石结构单元层间的可交换阳离子和水分子，插入层间，使其结构改变，从而扩大层间距。改性后的膨润土称为有机膨润土，其性质也改变为疏水亲油，改性膨润土在有机溶剂中表现出优良的分散、膨胀、吸附、黏结和触变等特性，因此广泛应用于涂料、石油钻井、油墨、灭火剂、高温润滑剂等领域。

使用带正电荷耐高温的交联剂代替蒙脱石层间可交换的阳离子，将其2:1单元层间撑开，并在层间呈“柱状”支撑，增加了其晶层间距，从而使交联后的膨润土具有更大孔径、更大比表面积、表面酸性强、耐热性好等特点，可以作为催化剂载体。

复合是指将膨润土作为主要原料，与有机聚合物或聚合物单体反应，形成具有复合功能的材料。目前的应用的主要是防水毯、防水板以及聚合物/蒙脱土纳米复合材料。

膨润土基矿物凝胶是一种非常重要的触变性凝胶产品，其独特的层状镁铝硅酸盐结构使其在水溶液中具有优异的悬浮性、流变特性和胶体特性等。由于其耐酸碱、稳定性好、成本低、无毒、无刺激等特点，被广泛应用于牙膏、化妆品、涂料、医药等领域。

制备膨润土矿物凝胶的工序主要包括分选提纯、钠化改型、磷化改性和胶化等步骤。

膨润土开采主要采用露天开采的方式，选定开采位置后，使用挖掘机、推土机等设备，先平整运输道路和废石堆放点，然后剥离地表黄土、修整边坡。剥离出的钙基/钙镁基膨润土自然风干后再加工成钠基膨润土。

膨润土的不当开采，如在开采过程中乱丢废土，未对山地植被进行有效保护，可能导致水土流失，破坏土壤结构，引发地质灾害。膨润土矿山的堆场倾倒量，雨季水土流失加剧，容易造成区域局部洪涝，增加自然灾害发生的频率。

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