科研進(jìn)展
蘭州化物所混維凹凸棒石黏土結(jié)構(gòu)演化研究取得系列進(jìn)展
由于黏土礦物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人們對黏土礦物的晶體生長機(jī)制、不同礦物間的演化規(guī)律以及礦物表面反應(yīng)性的結(jié)構(gòu)本質(zhì)等問題缺乏清晰認(rèn)識(shí)，從而制約了黏土礦物資源的高效利用。
近年來，隨著優(yōu)質(zhì)黏土礦物資源的過度開發(fā)和快速消耗，自然界中儲(chǔ)量更大的混維黏土礦物高效開發(fā)和利用受到了高度關(guān)注。甘肅凹凸棒石黏土礦儲(chǔ)量超過10億噸，為內(nèi)陸咸水湖相沉積成因，黏土礦物主要成分是凹凸棒石，還含有伊利石、綠泥石、高嶺石和伊蒙混層礦物等，屬于典型的混維凹凸棒石黏土。凹凸棒石棒晶長度通常在1 μm左右，直徑一般在15 nm以上，與火山噴發(fā)沉積成因形成的高長徑比凹凸棒石有明顯區(qū)別（圖1）。同時(shí)，凹凸棒石八面體層中部分位置被Al3+和Fe3+等離子取代，因而礦物大多呈現(xiàn)磚紅色或土黃色，礦床更多呈現(xiàn)雜色相間分布，分層開采有相當(dāng)難度。由于共存礦物成分相對復(fù)雜和“顏值低”，制約了混維凹凸棒石黏土礦物資源的高效和高值利用，迫切需要采用新途徑和新方法破解產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。
圖1 江蘇凹凸棒石黏土礦（a）和甘肅磚紅色（b）、土黃色（c）和雜色（d）混維凹凸棒石黏土礦數(shù)碼照片及其相應(yīng)SEM照片
混維凹凸棒石黏土中不同種類共存黏土礦物無法進(jìn)行高效分離，但可以在原子層面進(jìn)行重構(gòu)，通過多種礦物的同步轉(zhuǎn)變，形成新的礦物功能材料。近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員，在深刻認(rèn)識(shí)黏土礦物微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用混維凹凸棒石黏土通過結(jié)構(gòu)重組構(gòu)筑了各種多孔硅酸鹽材料（Chem. Eng. J., 2020, 382, 122984; J. Clean. Prod., 2020, 256, 120383; Powder Technol., 2021, 390, 303- 314）；采用溶劑熱法（Appl. Clay Sci., 2018，159, 16-24）、水熱法（Powder Technol., 2019, 354 , 1-10; Chem. Eng. J., 2019, 378 , 122131）和梯度酸蝕法（Appl. Clay Sci.,2019, 183, 105301; 2020, 198, 105848；2022, 228, 106594.），系統(tǒng)研究了混維凹凸棒石黏土結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，初步總結(jié)了致色金屬離子的賦存狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了磚紅色混維凹凸棒石黏土結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)白。與蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司合作，設(shè)計(jì)了國內(nèi)首條環(huán)保高效固相轉(zhuǎn)白生產(chǎn)線（圖2），近期已在合作企業(yè)甘肅融萬科技有限公司實(shí)現(xiàn)批次生產(chǎn)，突破了制約工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸，為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎(chǔ)原料。
圖2 混維凹凸棒石黏土及其草酸梯度溶蝕樣品的數(shù)碼照片（a）、XRD圖譜（b）和SEM圖（c）及其1萬噸/年生產(chǎn)線
鑒于團(tuán)隊(duì)在凹凸棒石黏土結(jié)構(gòu)演化及其功能材料構(gòu)筑方面取得的系列工作進(jìn)展，受邀以“From structure evolution of palygorskite to functional material: A review”為題發(fā)表了綜述性文章（Micropor. Mesopor. Mater., 2022, 333, 111765），全面總結(jié)了研究者在凹凸棒石黏土結(jié)構(gòu)演化構(gòu)筑各種功能材料的研究進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了混維凹凸棒石黏土全礦物利用的重要性，以期為混維凹凸棒石黏土功能材料應(yīng)用提供有益參考。
圖3 凹凸棒石黏土結(jié)構(gòu)演化構(gòu)筑功能材料
上述工作已獲得系列授權(quán)國家發(fā)明專利，得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、甘肅省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、甘肅省“揭榜掛帥”項(xiàng)目和甘肅省國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
