来八一八这种用途超过130种的矿产——“海泡石”
2020-12-28 10:15:29
海泡石，从名字上联想，给人感觉似乎会“发泡”一样。事实的确也如此，海泡石的德文名称是MeersChau，Meer是海洋，Schaum是泡沫，故译名为海泡石，当遇到水时，海泡石就会吸收很多水从而变得柔软起来，一旦干燥便会恢复坚硬。
海泡石烟斗是一种名贵、珍稀的珍品
由于海泡石质细腻、柔软，故能在外壁雕刻出十分精巧细致的浮雕图案
作为一种珍贵的多孔矿物，海泡石的主要成分为含水硅酸镁（Magnesium Silica)，是自然界中最具渗透性的物质之一，据有关资料统计统计，海泡石的用途已超过130种，是当今世界用途最广的矿物原料之一，从工业到艺术界几乎都有它的身影，上图中的海泡石烟斗便深受艺术家的宠爱。本文此次便来八一八它的各种信息。
一、海泡石的结构与性质
海泡石是一种纤维状的含水硅酸镁，通常呈白、浅灰、浅黄等颜色，不透明也没有光泽。它们有的形状像土块，有的成一个奇怪皮壳状或结核状。在电子显微镜下可以看到它们是由无数细丝聚在一起排成片状。
左：海泡石的结构示意图 右：海泡石的显微图
海泡石的主要化学成分是硅(Si)和镁(Mg)，化学式为Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O。它的晶体结构具有2层硅氧四面体，中间1层为镁氧八面体。硅氧四面体的顶层是连续的，沿c方向平行延伸呈三链结构，每6个硅氧四面体顶角相反，通过四角的公共氧原子相互联结形成2：1的层状结构，上下层相间排列与键平行，截面积约为0.38nm×0.94nm的孔道。水分子和可交换的阳离子K+、Na+、Ca2+等就位于其中。由于这种独特的结构，使海泡石比表面积大，孔隙率高，具有良好的吸附性、流变性和催化性。
①吸附性能
海泡石是有很强吸附能力的天然矿物。吸附剂的吸附能力与其比表面积大小有直接关系，经计算海泡石的表面积可达800～900m2/g，其中内表面积500m2/g，外表面积400m2/g。
②脱色性质
海泡石的脱色性能是基于海泡石经人工活化处理后，对有机色素的吸附作用。海泡石用作脱色剂时，酸化处理的程度要达到溶出八面体中的Mg2+、Al3+、Fe3+等金属离子，增大晶层间距，疏通孔道，提高吸附有机色素能力。
③流变性
海泡石的颗粒外形呈不等轴针状，聚集成稻草束状。当遇到水或其它极性溶液时则迅速溶涨并解散，形成的单体纤维或较小的纤维束无规律地分散成互相制约的网络，并且增大体积。这样就形成了具有流变性能的高粘度、稳定的悬浮液。
④催化性
由于海泡石具有巨大的比表面能，可以吸附或覆盖各类催化剂单质或化合物且这些单质和化合物可以进入海泡石通道内部；海泡石具有较强的极性，反应物分子被吸附后，易极化变形为活化络合物，促进反应的发生。
⑤阻燃、耐高温性
海泡石具有热稳定性能高，耐高温性能好(可达到1 500～1 700℃)、导热系数低、保温性能好等特点，且具有无毒、无污染、耐油、耐碱、耐腐蚀、防火、防燃、附着力强、不易裂缝等性能。
二、海泡石的表面改性
前文中提到，海泡石的部分特性需要其经过表面改性才能达到，这是因为天然海泡石矿品位低，杂质含量较高，且表面酸性弱、通道小、热稳定性不好，这些弱点限制了海泡石的应用。因此海泡石必须预先经过提纯、超细加工、改性等一系列处理才能扩大其应用价值，常用的改性方法有酸活化法、离子交换法 、水热处理法和焙烧法， 有机金属配合物改性、矿物改性等。
海泡石纤维
1.酸改性
酸改性是通过用强酸中的H+取代骨架中的Mg2+，Si-O骨架生成Si-OH基，结晶水也随之失去，导致海泡石晶体内部分通道连通，使微孔发展成中孔，微孔比率减少，中孔比率增大，表面积从195.2m2/g增加到306.6m2/g。
酸处理的原理示意图
由于海泡石中的Mg2+是弱碱，遇弱酸会生成沉淀而沉积于海泡石的微孔结构中，因此，目前处理酸均为强酸(HCl、H2SO4、HNO3等)。海泡石的吸附能力与活化改性所用的酸浓度有极大的关系，酸浓度不够大时难以溶出海泡石中的镁离子，不能增大孔径和微孔隙率；酸浓度过大时，海泡石的结构则会发生较大的变化，大孔隙率增加，且有可能变为硅胶，吸附能力与交换能力下降。
2.离子交换法
离子交换改性是用金属离子取代海泡石晶格中的镁离子，使海泡石产生中等强度的酸性或碱性。离子交换改性克服了酸处理使海泡石结构发生改变的后果，但不能增加海泡石的比表面积。
离子交换法的原理示意图
3.水热处理法
水热处理法活化在高压釜内进行，即将海泡石和水混合后加入反应釜内，在一定温度下搅拌数小时，产物经分离、干燥后即得到超细化处理的海泡石产品。由于海泡石层间或纤维束粘合力强，在常温常压下进行酸处理很困难，可以首先采用水热法处理，得到既超细化又易分离的海泡石，然后再进行其他的活化改性处理，从而增加其活性。
4.焙烧处理法
在海泡石的结构中存在有三种形式的水，即吸附水、结晶水和羟基水。将海泡石在100～1000℃下焙烧处理，其吸附与脱色能力随温度和时间的变化而变化，有实验表明在200～300℃下焙烧活化海泡石，其吸附性能有明显提高，而在300～800℃下焙烧处理海泡石，其吸附能力减弱。
5.有机改性
海泡石的有机改性目前主要有硅烷偶联剂表面改性和有机金属配合物改性。硅烷偶联剂表面改性能改善海泡石的分散性能，强化海泡石—高分子材料界面粘结。改性的原理主要是利用海泡石表面的酸活性中心和活性Si-OH基团。
6.矿物改性
利用海泡石高的比表面积将矿物沉积于海泡石的表面及微孔中也是一种较好的处理方法。1990年Campeio J M等分别以环氧丙烷及氨水作沉淀剂将AlPO4沉积于海泡石的结构中，之后用于CSI反应，结果表明AlPO4的引入不仅能提高海泡石的表面酸性，而且孔结构也得到不同程度的调整。
三、海泡石的应用
目前全球海泡石已探明储量约8000万吨，中国已探明储量2600万吨，优秀的吸附流变和催化性能及独特的资源优势，使得海泡石在我国的市场前景十分广阔。尤其是在环保领域中，由于海泡石比表面积仅次于活性炭，而其价格却十分低廉，因此它作为环境保护中的吸附剂和催化剂载体具有广阔的应用前景。至于其他的主要应用领域，大家可看下方表格了解一二。
应用领域
主要用途
油脂
石油精练 吸附剂、脱色剂、过滤剂
酿造、化工
分子筛、用于化工、制糖、酿酒
医药
离子交换剂、净化剂、发亮剂
陶瓷
珐琅质原料环保 颗粒去污剂和吸附剂
铸造
型砂粘结剂
硅酸盐
高镁耐火材料的特殊耐高温涂层的优质原料
塑料
发泡灵、脱色剂
建筑
隔音、隔热材料、涂料
橡胶
特殊充填剂
电焊条
焊药配料
轻纺和化工
催化剂、悬浮剂、增稠剂和触变剂
制烟
香烟滤嘴原料
特种用纸
催化载体和吸附剂
国防现代科学
原子能、火箭、卫星诸方面的特殊陶瓷部件
农业
杀虫剂、土壤消毒的载体原料、配制特殊原料、配制动物药剂、家畜垫圈
工艺品、雕刻工艺品、装饰物及生活用品
烟斗 海泡石质轻，散热性好，而且由于石质细腻、柔软，故能在外壁雕刻出十分精巧细致的浮雕图案，具有很高的艺术价值。且烟斗用久后，在烟油和手汗的内外共同作用下，还会散发出自然、深邃和高贵的棕金色。
钻井
抗盐、抗高温的特殊泥浆
吸附剂
室内车内海泡石空气净化剂
资料来源：
海泡石的性能及其应用，张江凤，段 星。
海泡石活化改性的研究现状及应用前景，梁凯，唐丽永，王大伟。