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兰州化物所混维凹凸棒石黏土结构演化研究取得系列进展

  由于黏土矿物结构复杂,人们对黏土矿物的晶体生长机制、不同矿物间的演化规律以及矿物表面反应性的结构本质等问题缺乏清晰认识,从而制约了黏土矿物资源的高效利用。

  近年来,随着优质黏土矿物资源的过度开发和快速消耗,自然界中储量更大的混维黏土矿物高效开发和利用受到了高度关注。甘肃凹凸棒石黏土矿储量超过10亿吨,为内陆咸水湖相沉积成因,黏土矿物主要成分是凹凸棒石,还含有伊利石、绿泥石、高岭石和伊蒙混层矿物等,属于典型的混维凹凸棒石黏土。凹凸棒石棒晶长度通常在1 μm左右,直径一般在15 nm以上,与火山喷发沉积成因形成的高长径比凹凸棒石有明显区别(图1)。同时,凹凸棒石八面体层中部分位置被Al3+和Fe3+等离子取代,因而矿物大多呈现砖红色或土黄色,矿床更多呈现杂色相间分布,分层开采有相当难度。由于共存矿物成分相对复杂和“颜值低”,制约了混维凹凸棒石黏土矿物资源的高效和高值利用,迫切需要采用新途径和新方法破解产业发展的难点和痛点。

图1 江苏凹凸棒石黏土矿(a)和甘肃砖红色(b)、土黄色(c)和杂色(d)混维凹凸棒石黏土矿数码照片及其相应SEM照片

  混维凹凸棒石黏土中不同种类共存黏土矿物无法进行高效分离,但可以在原子层面进行重构,通过多种矿物的同步转变,形成新的矿物功能材料。近年来,金沙js6666甘肃省黏土矿物应用研究重点实验室研究人员,在深刻认识黏土矿物微观结构基础上,利用混维凹凸棒石黏土通过结构重组构筑了各种多孔硅酸盐材料(; ; );采用溶剂热法()、水热法(; )和梯度酸蚀法(Appl. Clay Sci.,; .),系统研究了混维凹凸棒石黏土结构演化规律,初步总结了致色金属离子的赋存状态,实现了砖红色混维凹凸棒石黏土结构性转白。与苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司合作,设计了国内首条环保高效固相转白生产线(图2),近期已在合作企业甘肃融万科技有限公司实现批次生产,突破了制约工业化规模应用的关键瓶颈,为产业高质量发展奠定了基础原料。

图2 混维凹凸棒石黏土及其草酸梯度溶蚀样品的数码照片(a)、XRD图谱(b)和SEM图(c)及其1万吨/年生产线

  鉴于团队在凹凸棒石黏土结构演化及其功能材料构筑方面取得的系列工作进展,受邀以“From structure evolution of palygorskite to functional material: A review”为题发表了综述性文章(),全面总结了研究者在凹凸棒石黏土结构演化构筑各种功能材料的研究进展,强调了混维凹凸棒石黏土全矿物利用的重要性,以期为混维凹凸棒石黏土功能材料应用提供有益参考。

图3 凹凸棒石黏土结构演化构筑功能材料

  上述工作已获得系列授权国家发明专利,得到了国家自然科学基金项目、甘肃省自然科学基金重大项目、甘肃省“揭榜挂帅”项目和甘肃省国际合作重点项目的支持。

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