凹凸棒石（Attapulgite）

1. 凹凸棒石（Attapulgite）

一、概述
凹凸棒石又名坡缕石或坡缕缟石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。1862年萨夫钦科发现于俄罗斯乌拉尔，1913年费父斯曼根据所发现的矿区把它命名为Palygorskite。后来在美国佐治亚州的Attapulgus地区和法国的莫尔摩隆地区的漂白土中也发现了该种矿物，1935年采用Attapulgite之名。1976年，中国学者许冀泉根据凹凸堡之音同时兼顾该矿的晶体结构特征，译成“凹凸棒石”。凹凸棒石粘土常含有蒙脱石、高岭石、水云母、海泡石、石英、蛋白石、碳酸盐矿物等。
二、矿物性质
凹凸棒石是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。主要成分为硅（Si）和镁（Mg），其理想分子式为：（Mg，Al，Fe）5Si8O20（OH）2（OH2）4·4H2O，理论化学成分为：SiO2 56.96%、（Mg，Al，Fe）O 23.83%、H2O 19.21%。凹凸棒石为单斜晶系，其晶体结构属2∶1 型粘土矿物，即两层硅氧四面体夹一层镁（铝）氧八面体，其四面体与八面体的排列方式既类似于角闪石的双链状结构，又类似云母、滑石、高岭石类矿物的层状结构。在每个2∶1层中，四面体片角顶隔一定距离方向颠倒，形成层链状结合特征。在四面体条带间形成与链平行的通道。通道截面积半径为3.7×10-8cm、6.4×10-8cm，通道中被水分子所充填。这些水分子的排列，一部分是平行于纤维轴的沸石水，另一部分是与水镁石片中镁离子配位的结晶水。其结晶结构为针状，和角闪石系石棉十分相似，由细长的中空管所组成。
凹凸棒石晶体为棒状、纤维状，其晶体横断面呈菱形；集合体为土状或致密块状构造，颜色为灰白、青灰、微黄或浅绿色，油脂光泽，密度2.0～2.3g/cm3，摩氏硬度2～3g/cm3。潮湿时呈黏性和可塑性，基本不膨胀，干燥收缩小，且不产生龟裂，吸水性强，可达到150%以上，pH＝8.5左右。由于内部多孔道，比表面积大，一般为400～500 m2/g，大部分阳离子、水分子和一定大小的有机分子均可直接被吸附进孔道中，而它的电化学性能稳定，不易被电解质所絮凝。脱色率：4%HCl处理一般大于150。吸蓝量：小于24 g/100 g；膨胀容度：4～6 cm2/g。
三、用途
凹凸棒石粘土由于具有特殊的物理化学性质和工艺性能，在石油、化工、建材、造纸、医药、农业等方面得到广泛应用。
1）建材工业方面的应用。凹凸棒石可用作涂料和油漆的填充剂、流平剂、触变剂、增稠剂和稳定剂；可用于生产矿棉吸音板、天花板、墙壁板，具有很好的隔热保暖和吸声作用；作为防水、防火、保温材料，适用于生产岩棉、矿棉和复合硅酸盐材料；可作为改性沥青的填充剂、增稠剂、抗老化剂等；用于地下工程防渗漏。
2）在轻工业方面的应用。凹凸棒石代替苏打揉革，降低成本；作为纸张填料和涂料，可用于凹版印刷或胶印、颜料生产和涂布纸、涂布纸板工艺；用作油墨填充剂，具有提高油墨质量、降低成本、便于印刷等功效。
3）农业和畜牧业。凹凸棒粘土粉作为混合饲料的添加剂，可提高饲料转化率。作为复合肥黏结剂，保肥时间长，能提高生产能力。作为农药的悬浮剂和载体，广泛地应用于杀虫剂、杀真菌剂、除草剂等。作种子包衣材料，具有强度好、造粒光滑等特点，肥料和农药可共同加入使用，提高种子的出芽率，有利于防病、生长。
4）纺织工业。作为染料的悬浮剂填料，具有不掉色、着色力强、耐擦洗、色彩鲜艳和生产成本低等优点，还可作纺织行业的涂布刮浆浆纱。
5）石油勘探业。胶体级凹土经进一步的物理化学加工，可增加其造浆率，适用于地质钻探，作为泥浆材料，具有分散性好、造浆率高、封闭性好、抗盐碱、耐高温性能稳定、防止井塌、保护井壁、减少废井率等优点。
6）环保工业。作为絮凝剂和吸附剂广泛用于污水、工业废弃物和核废料的处理，垃圾场、核废料填埋场的隔离衬垫。吸附废气中的硫化氢、氨、二氧化硫等有害物质。
7）化工工业。①替代合成洗衣粉及洗发精中的主要助洗剂三聚磷酸钠（STPP）。②合成分子筛，选用钠、硅、铝含量比在一定范围内制得，其粒经2～10mm，含水量1.5%，堆积密度0.68g/cm3以下，抗压强度大于0.5MPa。③沉淀白炭黑，作为鞋类、高档轿车轮胎等的填充剂。④经精加工制得的干燥剂，具有蜂窝状的无数孔隙，其表面积相当大。⑤凹凸棒石粘土在化工催化剂方面具有较广泛的应用，如用凹凸棒石作催化剂以制造二氨基苯甲烷、多甲基多苯胺剂聚物及二氯乙烷，重油加氢和已二氰的磷酸盐催化剂的载体也是凹凸棒石，用于产品的净化。
8）化妆品工业。经精选后的凹土作为化妆品的原料，具有优良的平滑性、密合性和通气性。
9）塑料橡胶工业。经提纯精加工改性后的凹土，主要用作塑料橡胶的填料，具有防打滑、防粘等作用。
10）制药工业及生物工程。凹凸棒石粘土由于无毒和强的吸附性能，可用于药物。凹凸棒石在萃取性激素方面也超过其他粘土。
11）冶金工业。作为铸造型砂黏结剂、铁矿球团黏结剂、铸造涂料等。
12）航空航天微波吸收纳米材料。用于飞机、舰船的电磁波屏蔽、隐形等。
四、地质特征
从凹凸棒石在自然界产出的特征及其与有关矿物的相互关系分析，它是一种低温矿物，是碱性溶液中SiO2和Mg结合晶出的化学沉积物，或固—液的均衡相变矿物。凹凸棒石粘土矿床是以凹凸棒石粘土矿物为主要成分的粘土矿。按照成矿地质背景和成矿作用方式，凹凸棒石粘土矿床划分为淋滤-热液型和沉积型两大类。
（一）淋滤-热液型矿床
呈厚度不大的脉状、细脉状、网脉状产于白云质大理岩、白云岩、蛇纹岩或正长岩、花岗岩等的裂隙中。凹凸棒石结晶度高，纤维长，形似石棉，柔软，有弹性。这类矿矿化范围有时达数平方千米至数十平方千米，但矿床的规模很小，体积含矿率不高，工业开采价值不大。如安徽全椒的凹凸棒石矿床即属该类淋滤-热液型矿床。
安徽全椒凹凸棒石粘土矿床位于安徽省全椒县马厂北东4.3km，淮阳山字型构造前弧东翼，郯庐深断裂东侧，滁县玉屏山复式向斜西南端北西翼。矿区出露地层为震旦系陡山沱组上段和灯影组下段，北东向褶皱断裂发育，燕山早期有石英二长岩、闪长玢岩等侵入。矿脉产于内外接触带及陡山沱组上段大理岩、千枚状页岩的破裂带中。矿体呈脉状、细脉状、网脉状，NW 和 NNE 向分布，产状 SW∠60°～85°、SE∠65°～85°。主要矿脉有5条，长25～100 m，厚0.2～1 m。主要矿石类型为纤维状矿石，纤维长，目测品位90%以上，其次为细脉充填交代型网脉状、角砾状矿石，品位较低。矿石化学成分为：SiO2 62.74%、Al2O3 11.06%、Fe2O3 1.15%、FeO 0.11%、MnO 0.03%、CaO 0.14%、MgO 11.68%、K2O 0.18%、Na2O 0.05%、TiO2 0.08%、P2O5 0.033%、CO2 0.12%、H2O＋ 11.85%、H2O-8.96%。
（二）沉积型矿床
沉积型矿床按形成时的古地理环境分为陆相沉积矿床和海相沉积矿床两个亚类。沉积矿床一般产于构造稳定地区干旱或半干旱气候带的内陆碱湖、盐湖盆地、碱性玄武岩盆地、浅海碳酸盐台地、潮汐带等地区。矿化作用可贯穿在同生、成岩和表生三个阶段。凹凸棒石矿物既可以由蒸发作用下直接从溶液中晶出，也可由伊利石、绿泥石、蒙脱石、高岭石、海泡石等转化而来。矿体呈层状、似层状、透镜状产出，产状与围岩一致。区域性矿化，面积数平方千米至数百平方千米。矿石为土状、致密块状、碎屑状、结核状，凹凸棒石矿物含量40%～85%，个别达90%以上。伴生矿物有蒙脱石、方解石、石英、蛋白石、燧石、高岭石、海泡石等。我国目前发现的均为陆相沉积型矿床，如江苏盱眙、六合及安徽嘉山等凹凸棒石粘土矿床均为该类矿床。下面以江苏盱眙凹凸棒石粘土矿床为例说明其地质特征。
江苏省盱眙凹凸棒石粘土矿床位于江苏省盱眙县境内，矿体赋存于新近系上新统下草湾组陆相火山-湖泊相沉积建造中，含矿岩系为橄榄玄武岩、橄榄粗玄岩夹粘土层和粉砂质泥岩、粉砂岩层，厚度20～90 m。凹凸棒石粘土主要分布在上部的粘土层中，厚度2～5 m，延长数百米至千余米。矿石呈灰白、浅灰色，质轻，密度2g/cm3，吸水性强，有滑感。具纤维状变晶结构，土状、块状、角砾状构造，矿物组成除凹凸棒石外，还有蒙脱石、石英、水云母等，偶见海泡石。饱和盐水造浆率8～19 m3/t，经4%HCl处理脱色力大于150。盱眙龙王山凹凸棒石粘土矿矿石化学成分为：SiO2 58.88%、Al2O3 9.50%、Fe2O3 5.20%、MnO 0.05%、CaO 0.40%、MgO 12.10%、K2O 1.24%、Na2O 0.10%、TiO2 0.56%、Cr2O3 0.04%。
五、矿床分布
凹凸棒石粘土主要产于新近系、古近系火山岩系，白垩系陆相地层，奥陶系、二叠系灰岩地层，寒武系、震旦系白云质灰岩等地层中，其中以新近系、古近系、白垩系火山岩对成矿较为有利。如江苏盱眙等地的凹土就产于新近系的玄武岩中。
我国凹凸棒石粘土资源大部分分布在江苏盱眙—六合、金坛和安徽明光—涧溪一带。
在内蒙古、四川、山东、贵州、甘肃、新疆、湖南等地也相继发现了凹凸棒石粘土，主要产于新近系和古近系火山岩系，白垩系陆相地层，奥陶系、二叠系灰岩地层，寒武系、震旦系白云质灰岩等地层中，尤以新近系、古近系、白垩系玄武岩分布区对成矿最为有利。除了苏皖地区外，其他地区凹凸棒石粘土工业开发规模都不大。因此，我国凹凸棒石粘土工业实际上是以苏皖地区凹凸棒石粘土为代表的。
六、可供资源
我国已知的凹凸棒石粘土矿床，多为陆相火山沉积型，主要分布在火山岩盆地中，含矿层位主要为白垩系—新近系，如江苏盱眙、六合和安徽嘉山凹凸棒石粘土矿床。20世纪70年代末以来先后在四川、山东、甘肃、山西、贵州、内蒙古、湖北、河北等地发现了一批矿床（点），我国凹凸棒石粘土矿产资源前景可观。目前，凹凸棒石粘土矿床（点）十余处，其中江苏、安徽为主要集中地（表2-43-1）。
多年来的地质工作表明，盱眙凹凸棒石粘土等有用粘土总量达11.7×108t，其中优质凹凸棒石粘土查明资源储量超过6000×104t，但有些资源量未在国家储量表中显示。

表2-43-1 中国主要凹凸棒石粘土矿床查明资源储量的情况

（据国土资源部《全国矿产资源储量通报》，2005）

2. 凹凸棒石粘土的简介

凹凸棒石粘土简称凹土，用途非常广泛，凹凸棒石粘土被称为“千土之王”。盱眙县现已探明凹凸棒石粘土储量为8.9亿吨，占全国70%、世界50%。为此，盱眙县采取以科技研发为突破口，以市场需求为导向，全力拉长产业链条，做大做强凹土产业，确保这一得天独厚的 “黄金资源”产生“黄金效益”。随着食品安全国家标准《食品添加剂凹凸棒粘土》、国家建材行业标准《凹凸棒石及试验方法》的获批，盱眙县的凹土产业走上了高端发展之路。如今，江苏省已将盱眙县的凹土产业列为特色支柱产业予以培育和支持，预计到“十二五”末，盱眙县有望实现凹土产业销售收入50亿元，缴纳税金4亿元，1-2家企业上市，并将逐步打造成百亿级产业。

3. 凹凸棒石粘土的介绍

凹凸棒石粘土简称凹土，用途广泛，凹凸棒石粘土被称为“千土之王”。 凹凸棒石粘土矿为土块状结构，颜色为灰白、青灰、浅黄和浅绿。油脂光泽，比重轻，摩氏硬度2-3级，潮湿时呈粘性和可塑性，干燥收缩小，且不产生龟裂，吸水性强，可达到150%以上，PH=8.5左右。