蒙脱石

蒙脱石（montmorillonite），无机化合物矿物，分子式为(Na,Ca)₀.₃₃(Al,Mg)₂[Si₄O₁₀]OH₂·nH₂O，属单斜晶系，基本组成单元为硅氧四面体和铝氧八面体，颜色有白色，红色、黄色、黑色或绿色，有时为浅灰。产出形态各有不同，有层状、似层状、透镜状、脉状等。蒙脱石颗粒细小，约0.2～1微米，具胶体分散特性，在电子显微镜下观察，晶体一般呈不规则片状，光泽暗淡。蒙脱石因其优良的物理化学性质而作为缓释剂、吸附剂、催化剂、增稠剂、触变剂、脱色剂等广泛应用于医药、化工、食品、新材料等多个领域。蒙脱石不仅有药用价值，还能吸附水体中有毒重金属元素和有机污染物。蒙脱石天然存在于膨润土中，主要通过提纯的方式获得。

发现历史

蒙脱石主要是由基性岩在碱性环境下由风化形成的，但也有海相沉积的火山灰经过分解而产生的。1847年，达穆尔(A.A.Damour)和萨卢埃塔(D. Saluetat)在研究法国蒙脱里隆(Montmorillon)附近的黏土时，将黏土中主要组成矿物命名为蒙脱石(montmorillonite)。李·夏特列(Lee Chatelier)于1887年陈述了蒙脱石的化学式4SiO₂·Al₂O₃·H₂O。1945年，美国学者亨德里克斯利用X射线衍射分析了膨润土的矿物组成，发现膨润土的主要组成矿物为蒙脱石。1954年，罗斯(Ross)等经进一步研究，明确了蒙脱石的矿物学性质。霍夫曼(Hofmann)、威尔姆(Wilm)和恩登(Enden)等人总结了关于蒙脱石晶体结构的原始假想。后来，科学家们发现蒙脱石是化学成分复杂的一大族矿物，在1976年，经国际黏土协会决定，使用“蒙皂石”作为族名，即蒙皂石族或蒙脱石族，并用这一词语替换“蒙脱石-皂石族”，从而将“蒙脱石”这一词语专门用来称呼蒙皂石二八面体。

分布情况

膨润土的主要成分是蒙脱石，当膨润土中蒙脱石含量超过80%时即可称为蒙脱石。世界膨润土资源丰富，但分布不均衡，主要分布在环太平洋带、印度洋带和地中海—黑海带。主要资源国有中国、美国、俄罗斯、希腊、土耳其、德国、意大利、墨西哥和日本等，前三国探明储量占世界储量的4/5。世界已探明的膨润土矿的静态可采储量还可以开采216年，查明储量为14.52亿吨(不包括中国)，其中钠基膨润土约5亿吨，主要产在美国的怀俄明州，其储量为6800万吨至1.2亿吨，前苏联、意大利、希腊和中国也有分布。中国膨润土资源量超过80亿吨，总储量占世界总量的60%，居世界第1位，其中70%以上都是钙基膨润土。

晶体结构

Si-O四面体

蒙脱石是2∶1型层状粘土矿物，单位晶胞由两层顶角朝里的Si-O四面体中央夹着一层Al-O或Mg-O八面体形成结构层。Si-O四面体由一个位于四面体中心的Si和4个等距的O构成，为四配位。相邻的四面体之间通过基底氧反向连结，全部的基底氧均处于一个平面，而顶角氧排列在另一个面。

硅氧四面体及四面体片的结构示意图见下图：

Al-O八面体

铝氧八面体由六个O或OH组成，配位原子Al、Mg或Fe位于八面体中心，为六配位。相邻的八面体之间共用棱边，顶部的O或OH结合，构成八面体平行的顶面和底面，在底面的投影呈六角形的环。

铝氧四面体及八面体片结构示意图见下图：

层板结构

蒙脱石晶层间通过硅（铝）氧共价键连接，铝氧层中的铝原子在成岩过程中被镁原子等低价原子以同晶置换的方式取代，配位氧的电负性无法得到补偿，从而在层板上形成永久性负电荷位点，这些位点通过吸附层间阳离子达到电荷中性。

蒙脱石特殊的层板结构使层板之间形成了可以进入限域空间，这些特殊的构造赋予了蒙脱石独特的物理化学性质，例如在一些环境功能材料合成的过程中，利用这种限域空间原位合成的材料具有极小的粒径、极高的反应活性等特性。由于组成蒙脱石的八面体片中发生类质同象置换使蒙脱石结构层具负电荷，层间必然出现相应数量的阳离子和水分子，造成膨胀和收缩。除此之外，结构单元层之间靠范德华力连接，结合力弱，结构较松散，在一定剪切力作用下易发生片层滑动甚至剥离，水和其它极性分子或离子等易于进入层间发生交换、吸附等理化反应，引起晶格沿层叠方向膨胀，层间距增大，所以蒙脱石的c轴尺寸是不固定的，吸水后体积膨胀，脱水后收缩。

理化性质

基础物理性质

蒙脱石颜色为白色带浅灰，有时带浅蓝或浅红色，光泽暗淡，颗粒细小，具胶体分散特性，通常都呈块状或土状集合体产出。在电子显微镜下观察，晶体一般呈不规则片状。蒙脱石具有很强的吸附能力和离子交换能力，同时具有高度的胶体性、可塑性和粘结力。各种富含铝硅酸盐矿物经风化作用，热液蚀变或沉积变质作用在碱性条件下都可以形成蒙脱石。

阳离子交换性

阳离子交换性是蒙脱石最重要的性能之一。蒙脱石层间吸附的阳离子具有可交换性。在水介质中，其它交换性阳离子和水分子能进入层间，这个过程是可逆的。利用蒙脱石的阳离子交换性对其进行改性，可以制备膨润土、锂基蒙脱石、活性白土、柱撑蒙脱石、有机蒙脱石等各类产品。蒙脱石产生阳离子交换性的主要原因有两方面，为晶格置换和断键。晶格置换引起的阳离子交换量占主导，约占总量的80%，其中又以八面体晶格中的置换为主，这是由于八面体晶片距离层间阳离子更远，所以对阳离子的结合能力弱，更易被交换。断键产生的负电，也通过吸附阳离子来达到平衡，并随蒙脱石的粒度和溶液pH而变化。

吸水膨胀性

蒙脱石中含有大量的羟基，亲水性强，吸水膨胀特征显著。其膨胀的原因主要是基于层间阳离子的水化，吸附水分子形成水化膜，使层间距增大而发生膨胀。蒙脱石的水化膨胀主要包括三个阶段：（1）表面水化，蒙脱石结构的表面和端面存在大量的不饱和断键，如硅OH、Al-OH等，可以通过与水分子形成氢键或通过吸附的可交换阳离子吸附水分子。（2）离子水化，层间交换性阳离子水化形成水化阳离子。（3）渗透水化，层间距增加到一定程度后，由于晶层内外离子浓度差引起渗透压差，水分子进入层间，阳离子扩散到水中，形成双电层，产生斥力，使层间距增加，而引起膨胀。在上述三种水化方式中，又以后两种方式为主。

分散悬浮性

由于蒙脱石结构单元层之间结合力弱，水分子容易渗透进片层间，增加层间距，使片层分散剥离。蒙脱石在水溶液中经过水化作用后，以胶体形式充分分散。一方面由于蒙脱石颗粒细小，另一方面水分子可以进入层间使蒙脱石晶层之间由静电斥力作用相互分离。在水介质中，由于蒙脱石颗粒均带负电，彼此排斥，低浓度时难以形成大的颗粒聚集体，从而具有良好的悬浮性，可用作悬浮剂，一般悬浮性随pH值增大而增强，碱性条件下比在中性和酸性条件下更好。

增稠性

蒙脱石与水混合时，表面水化能及阳离子水化能大于层间引力，使蒙脱石体积膨胀，形成独立的片层。在蒙脱石片层的棱边，由于铝氧键和硅氧键的断裂，使得片层端面带正电荷，可以吸引表面的负电荷，边与面相互缔合成体积庞大的三维网络结构。将水分子、乳液粒子等包裹隔离，使其运动阻力增大，从而达到增稠效果。随着时间的延长，这种胶体结构趋于稳定。当施加剪切力时，胶体结构被破坏，相互吸引的片层又分散开，微粒运动的阻力减小，体系粘度降低。带电粒子如分散剂六偏磷酸钠等的加入，可以吸附在蒙脱石端面，中和边缘正电荷，从而破坏结构的稳定性。加入正电荷，可以中和酸根阴离子，恢复端面正电荷，重新形成胶体结构，粘度进一步增加。

稳定性

蒙脱石是一种天然无机矿物材料，具有良好的稳定性，耐候性好。（1）化学稳定性好，蒙脱石不溶于水和各类溶剂，常温下不被还原、氧化，耐pH范围广，其结构不易受到酸、碱、盐等的影响，与有机阴离子、醇类溶剂等的相容性好。（2）热稳定性好，脱羟温度是评价蒙脱石耐热性能的尺度，反映出其热稳定性的优劣。蒙脱石的脱羟温度一般为550℃-750℃，这一温度下结构羟基被脱除但层结构未被破坏，表现出良好的热稳定性。（3）生物稳定性好，蒙脱石不受细菌、微生物等影响，其悬浮液在湿热条件尤其是在潮湿环境或夏季30-40℃高温条件下放置，不易发霉变质，不会出现像纤维素、黄原胶等有机增稠剂一样酶解、发臭和粘度降低现象，防腐抗降解性能优越。

吸附特性

影响蒙脱石吸附性能的两个重要因素是比表面积和离子交换性能。蒙脱石颗粒细小，内比表面积大，同时由于表面铝醇基（Al-OH）、硅烷醇不平衡形成各种活性位点（Lewis酸和Brønsted酸）。这些特性都决定了蒙脱石颗粒表面、晶层内都存在一定的吸附位点。蒙脱石对污染物的吸附可分为物理、化学及离子交换吸附，常用于吸附有害菌及其毒素、霉菌毒素、重金属离子和农药等。

吸附有害菌及其毒素

大多数有害菌表面带有负电荷，而蒙脱石晶体层间内含有许多金属阳离子，带有正电荷，因而能通过静电引力和分子间作用力物理吸附表有害菌，降低其生物利用率，并通过肠道蠕动最终排出体外。蒙脱石可能对有益菌的吸附作用较弱，其在肠道中吸附有害菌后利于有益菌的生长繁殖。

固定霉菌毒素

蒙脱石对黄曲霉毒素、脱氧雪腐镰刀菌4-烯醇等多种霉菌毒素具有化学吸附作用，能够减轻它们对畜禽造成的负面影响。蒙脱石吸附、固定霉菌毒素的主要机制：通过分子间作用力、静电吸附和表面吸附力将霉菌毒素分子结构中含有的极性基团（如氨基、羟基）或可极化基团（如苯基等）固定于蒙脱石多孔结构中；同时呈刚性平面分子构造的霉菌毒素还可进入蒙脱石的内表面，与其晶层内金属阳离子相互作用，使已固定的霉菌毒素不容易被解吸，形成稳定的霉菌毒素蒙脱石复合体，霉菌毒素的生物利用率降低，所形成的复合体可以排出体外。

吸附重金属

蒙脱石利用其离子交换性吸附对饲粮重金属进行吸附，有效减轻重金属对畜禽造成的危害。除此之外，蒙脱石还能够吸附水中的重金属，有利于防治水体重金属污染。

吸附农药

农药在蒙脱石矿物中的吸附存在多种吸附模式，这也是农药的一个重要的环境化学行为，当农药分子被强烈吸附在蒙脱石矿物层间域时，其生物活性和微生物对它的降解性能都会减弱。蒙脱石层间域的这一特性对农药分子在环境中的演化具有重要意义，积极开展粘土矿物及土壤与农药的作用机理研究可以为新农药的优选、降低农药的使用量和减少农药对环境和地下水的污染提供科学依据。

改性蒙脱石

蒙脱石与层间的阳离子以静电形式吸附，遵守库伦定律，即离子电荷越多引力越强。因此蒙脱石水化性质和层间交换性阳离子密切相关，通常离子价态越低水化性能越好。蒙脱石的钠化改性后，钠基蒙脱石具有更好的水分散性、悬浮性、膨胀性、增稠性和润滑性等，因而具有更广泛的用途。

提纯方法

纯化膨润土以得到更高含量的蒙脱石有两种途径，干法与湿法。干法为选矿的主要方法，该方法适用于蒙脱石80%以上膨润土选矿，工艺流程简单，处理量较大，但产品质量难以控制。湿法选矿是从七十年代开始发展起来的，此法适用于蒙脱石30%~80%的中低品位膨润土净化，产品质量稳定。试验结果表明，蒙脱石含量65%左右的钠基膨润土，经三级提纯，蒙脱石含量提高到90%左右。湿法净化工艺无粉尘飞扬，但耗水量较大，生产周期较长，成本较高，难以大规模生产，但其提纯产物用于精细化工、轻工日化等高附加值产品的生产，可获得较好的经济效益和社会效益。湿法提纯存在的主要不足是蒙脱石最终含量只有90%左右，不能再高，原因是其中夹杂了极少量石英，长石，云母及其它杂质。

应用领域

医药应用

蒙脱石在医药中可用作医药载体。蒙脱石散可用于消化系统疾病的治疗。蒙脱石还是优良的止血剂，蒙脱石颗粒细小，在出血表面可聚集形成以蒙脱石颗粒为核心的血粘块，还可以激活低浓度的凝血因子，加强消化道出血的局部止血作用。蒙脱石是一种天然的黏液稳定剂，可与消化道黏液蛋白结合， 使黏液的体积、质量、内聚力和弹性增加， 保护和修复消化道黏膜。同时，由于蒙脱石晶体层与层之间能够滑动打开，在动物消化道内延展，可形成一层连续的保护膜。

畜禽生产

蒙脱石能够减轻霉菌毒素、重金属、有害菌等对动物健康和生产造成的负面影响，同时，饲粮中添加蒙脱石能够改善畜禽肠道健康，降低腹泻率，降低氧化锌的使用，提高畜禽生长或生产性能，改善产品品质，提升机体健康水平。还可用作养殖环境消毒剂等，改善养殖环境，减少感染风险。然而饲粮中过量添加蒙脱石会对动物机体健康和生产性能造成负面影响，蒙脱石有膨胀性，其接触水后会形成面团状的黏稠结构物质，体积可增加数倍，降低了食糜在胃的流通速度，可能使动物有物理饱腹感，进而采食量减少。蒙脱石不能为畜禽提供额外养分，而添加高水平蒙脱石后会导致饲粮养分稀释，使动物不能获取足够养分；同时，蒙脱石在肠道中可能会吸附部分养分（如矿物元素、维生素等），降低养分的利用率。蒙脱石含有氧化钙等物质，其接触水后产生放热反应，畜禽摄食时可能会引起口腔、舌部等灼伤感，降低饲料适口性。

日用品应用

可以将钙基蒙脱石直接加入到日化产品配方中用作填料，也可利用蒙脱石优异的流变性能，将其用于洁肤类产品如洗面奶、沐浴露等，护肤类产品如面膜、乳液、膏霜等，护发类产品如洗发水、发蜡等，以及牙膏、洗涤剂等产品，提供良好的吸附、清洁、悬浮、触变、增稠、稳定、改善肤感等作用。

环境保护

粘土矿物资源丰富，且具有特殊的吸水性、可塑性、粘结性和强的离子交换性，在环境治理中，可用于污水净化处理，油污，废塑料、城市垃圾的处理，空气净化和放射性废物处理等。利用蒙脱石的吸附性，可以吸附污水中的阳离子和有机污染物，达到保护环境的效果。

建筑工程

在建筑工程中，蒙脱石可代替价格较高的白炭黑作为橡胶的填料。膨润土在涂料中主要起防沉、抗流挂、改善施工性、调节流变性等作用，可用于水性油墨、家具漆、工业漆和建筑涂料等。另外，钙基蒙脱石在遇水后自身体积会膨胀并具有疏水性。因此用钙基蒙脱石做成的防水材料，具有永久性、高度密实性、自保水性能好、对人体无害等优点。

参考资料

蒙脱石.化石网.2023-05-22