海泡石的性能及其应用

表2　海泡石的结构式

2　海泡石的用途
2.1　用作吸附剂
　　由于海泡石具有很强的吸附能力，所以是一种常用的吸附剂。宋秀芹等^［4］研究了海泡石对几种蔬菜汁的澄清作用。使用海泡石作为澄清剂，不仅可以保持原菜汁的天然风味，而且澄清效果好，所得到的澄清菜汁是一个稳定的热力学体系，不会再出现浑浊沉淀这种影响果汁产品感官质量的现象。海泡石含量越高，澄清速度越快。如用0.1%的海泡石澄清需要3 h，用0.3%的海泡石溶液澄清只需要1.5 h, 而且相同量的海泡石对黄瓜汁、莴笋汁、西葫芦汁、卷心菜汁的澄清速度是相近的(表3)。这说明海泡石对各种蔬菜汁的澄清作用机理可能是相同的。即通过海泡石的吸附活性中心，降低了菜汁中胶体颗粒的电位，同时海泡石表面的极性基团与菜汁中悬浮颗粒之间的桥联作用，使单个的悬浮颗粒形成一种整体的絮凝体，从而达到澄清的目的。

表3　海泡石对不同菜汁的澄清作用

2.2　用作催化材料
　　天然粘土矿物作为催化材料有很长的历史，并且开发新的粘土催化材料一直为人们所重视。由于海泡石具备作催化剂载体的良好条件，因此工业上常用它作为活性组分Zn，Cu，Mo，W，Fe，Ca和Ni的载体，用于脱金属、沥青以及加氢脱硫或加氢裂化等过程，而且也可通过海泡石的改性使之适用于各类催化反应。
　　近年来国内外有不少学者以海泡石为材料，研究了其在加氢、氧化、裂解、异构、聚合等催化反应中的作用。曹声春等^［5～8］研究了以海泡石为载体，应用于苯加氢、苯氧化等反应。他将Ni-海泡石用于苯加氢反应，发现它的催化活性、稳定性和抗硫性等都优于现代工业用的Ni-Al₂O₃催化剂，活性温度由原来的130 ～180 ℃拓宽到95 ～230 ℃，液苯空速由1.2 h^-1提高到15 h^-1，耐热性明显改善，抗毒性增强了3倍，使用寿命由1.5年延长至4.4年，苯转化率高达100%，环己烷收率99.9%以上，具有很好的应用前景。对此他认为，由于MgO和Al₂O₃生成镁铝尖晶石，MgO和SiO₂形成辉石，Ni与MgO形成固溶体，Ni与Al₂O₃生成铝镍尖晶石，所以其强度和稳定性大大提高，又由于Ni-海泡石中含有镁离子，更易与硫形成硫酸镁和硫化镁，从而减少了镍的中毒，也就延长了催化剂的使用寿命。江奇等^［9,10］用Ni，Ru，Fe，Co负载在海泡石上，发现在该催化剂上CO₂加氢反应的活性和选择性都比以SiO₂和Al₂O₃为载体的催化剂要高。这主要是因为海泡石是一种含有Mg,Ca的Al₂O₃及SiO₂的混合体，而存在于Al₂O₃及SiO₂载体中的Mg,Ca等能改变载体上金属的存在状态及分散度，从而改善催化剂的性能^{［11，12］}。这是海泡石性能优于Al₂O₃及SiO₂的重要原因。
2.3　用于牙膏、化妆品方面
　　海泡石具有增稠性和触变性，且吸附能力强。因此，很适用于化妆品，并能适当提高粘度和悬浮性、保稠性、保湿性、润滑性等，连同上述的吸附性能，便能增强化妆品、护肤品的附着力，以及不裂、不脱、灭菌性能，在牙膏中可以代替部分磨耗物，吸附细菌。
2.4　用于塑料、溶胶、聚酯、油漆、油脂增稠剂等
　　海泡石具有流变性和高粘度的悬浮性，改善它的亲水面可在非极性溶剂中形成稳定的悬浮液。因此，海泡石适用于做塑料溶胶中的增稠剂，产生的效果可与其它触变剂如有机膨润土和热解SiO₂相比。
　　用表面活性剂改善海泡石的亲水面，使其与聚酯相适应，作为增稠剂和触变剂用在液态聚酯树脂中，可防止颜料沉淀和应用后期聚酯树脂均质差。
　　在油漆中加入一定量的海泡石，可使其在储存期间避免颜料沉淀。由于其粘度特性，易于使用刷子、滚筒、空气式真空喷涂设备，它还能以颜料的体积、浓度而产生遮蔽力，因而具有良好的光泽、去污和抗摩擦、抗弯曲性，以及抗流淌性、平滑性和热稳定性，而且霉菌不易生长，粘性也不会因硬水和温度的影响而改变。此外，活化改性海泡石，也可作为具有有机载体油漆 的增稠剂和触变剂。
　　海泡石用于矿物油脂中，能充分分散在油脂中以提高油脂的粘度，经表面活性剂处理后，在w=1.5%青酮和矿物酮与w=50%聚丁烯的混合物中，也能分散形成高粘度的油脂。
2.5　取代石棉，广泛应用于保温、隔热、绝缘、隔音工业及磨擦材料工业中
　　用海泡石形成的涂敷性保温材料，因其具有导热性低，保温性能好，热损失低，强度高的特性，且无毒、无污染、耐油、耐碱、耐腐蚀，还能防火、防燃、附着力强、不易裂缝等性能。此外，海泡石保温材料还具有用量少、涂料薄，对管道可直接涂敷，不用捆扎的特点，因而施工方便，且降低成本，节省能耗。目前，全国很多保温、密封材料厂都注重了海泡石的特殊保温节能方面的应用。
　　在摩擦材料中加入海泡石胶体代替石棉作增强基料，可使其具有韧性好，抗拉和抗弯度大，冲击强度高，抗高温衰退性好，磨损小，特别是高温磨损小。此外，密度比石棉摩擦片小，刹车无噪音，无致癌物，无污染，且能降低成本，提高质量。
2.6　用于洗涤及漂洗剂、脱色剂、助滤剂、抗胶凝剂等
　　用海泡石取代高达30%的脂肪酸制成肥皂，可提高肥皂的洗涤率，与蒙脱土和高岭土比，不仅提高清洗的质量和去污垢的能力，而且可以提高最终的白度和吸附细菌，使纺织物上或洗涤水中的细菌达到极低的程度。此外，用海泡石作基料配制成的浆料，除有上述优点外，并还能节约大批粮食及大幅度降低成本。
　　海泡石具有巨大的表面积和多微孔结构，以及存在着吸附和化学吸附作用。因此，它具有优良的脱色特性，继而在石蜡、油脂、矿物油和植物油脱色过程中，常被用作脱色剂、中和剂、除臭剂和脱水剂。又由于其表面上可产生吸附和半吸附作用，因此在提高其表面积比例时能滞流各种流体，作抗胶凝剂和自流剂，可控制混合物的湿度或覆盖液化制品的表面。
　　海泡石的吸附性以及颗粒的特殊状态，产生多孔的不规则网层结构，使其具有过滤能力，所以，作助滤剂是非常适用的。在葡萄糖的产生过程中，连同它的脱色性，又可作为澄清剂。
2.7　用于香烟过滤咀、饲料添加剂、粘结剂和载体
　　烟草的烟雾是由大量的微液滴组成的，它以悬浮气态存在。活性炭材料滤咀，能不加选择的吸附烟的气态物。若用海泡石和活性炭作香烟滤咀，就能有选择的吸附香烟中的整个气态物，即优先吸附有害气态物，对香烟草味的弱极性气体吸附得很少，从而使香烟的香味更浓。目前海泡石用于香烟滤咀，已通过湖北省建材总公司鉴定，质量已达到国内同类产品的先进水平。
　　海泡石还以其独特的吸附性、自由流动、抗胶凝性、化学惰性和无毒性，使其能以各种粒状形式用于动物饲料。
　　(1)生长促进剂：海泡石作为动物饲料，可提高饲料的利用率，也可以防止氨引起的中毒和慢性疾病，控制中毒或特殊氨产生的腹泻，以及其吸附性能杀灭肠胃内的细菌等。
　　(2)添加剂载体：海泡石用作微粒配合饲料的载体，可使添加剂均质化，保持稳定性，肠吸附不受影响，且自流性和抗凝性又便于产品的包装、运输和储藏。另据有关专家试验，海泡石矿物饲料添加剂还有巨大的除毒效果，特别是对动物服用过量的微量元素，不脱毒的棉子饼和霉变玉米中毒等有明显解毒、防毒效果。
2.8　用于医药、农药载体
　　由于海泡石有大的活化性表面，在其表面上可保留活性物质，因此，它可作为氧化降解作用的药物赋形剂。同样，它的有利吸附特性，也可作腹泻治疗中吸附肠胃毒素、细菌和粘液的吸附剂。此外，它的成胶性使其涂于肠和胃壁上而保护肠胃粘膜，同时也能控制pH值，继而又是治疗胃酸过多的抗酸药品
　　在高度活性的化学杀虫剂中，使用海泡石作载体，它的化学惰性使其具有稳定性，大的表面积可吸附低熔点的液体或固态霉素，而不失去其自由流动的特点，且在水中容易释放出活性化学剂。此外，海泡石本身也具有杀虫作用，此效应是由于对昆虫外表面的磨蚀，以及对昆虫类脂化物和epitiate中水的吸附作用，导致昆虫的迅速死亡。

3　海泡石的改性
　　由于天然海泡石存在表面酸性弱、通道小、热稳定不好等缺陷，因此，对天然海泡石的改性是一项十分有意义的工作。酸改性可增强海泡石的孔隙率，增大比表面，减少通道内部酸中心在形成无水相海泡石时被“封闭”的可能性，从而提高酸中心的热稳定性^［13］。通过离子交换形式，还可使其结构中的镁离子或硅离子被其它离子替代，从而改善海泡石的吸附和催化性能。
3.1　改性海泡石的吸附性能
　　天然状态的海泡石具有强的吸附能力，而且海泡石的吸附能力可以通过热或酸处理来改变。在100 ～300 ℃加热，可以提高海泡石的吸附能力，而加热到300 ℃以后,则海泡石的吸附能力减弱。用酸处理海泡石，可使其吸附能力增加，这是由于海泡石表面结构变化引起的，半径小于1 nm的孔洞数量减少，而半径为1～5 nm的孔洞百分率增加，因此酸处理加大了晶体内部通道的横截面，使被吸附物质的分子更容易进入^［4］。
　　以蒙脱土和海泡石为吸附剂对水中有机污染物苯、甲苯和乙苯进行的吸附研究表明^［14］，静态吸附的吸附时间均为10 h左右，吸附容量为100 μg^.g^-1(平衡浓度1 mL^.L^-1)左右，并呈现出乙苯>甲苯>苯这一吸附规律。在对两种吸附剂进行X衍射和热分析试验后，发现有机物分子进入了粘土的层间，从而肯定了粘土对水中有机物污染物吸附主要以层间吸附为主。并提出为提高粘土吸附容量，需对其表面进行改性处理。
　　徐秋云等^［2］研究了Fe³⁺改性海泡石前后对水中正负有害离子的吸附性能。实验结果表明：改性前的海泡石对阳离子Pb²⁺具有很好的吸附性能，而对负电性Cr(VI)离子的吸附效率很低。用Fe³⁺改性后的海泡石对Cr(VI)离子的吸附效率大幅度提高，可以达到吸附脱除水中Cr(VI) 离子的要求，同时还表明它对Cl^-也有较高的吸附效率。
3.2　改性海泡石的催化性能
　　由大量文献可知，单独的天然海泡石用作催化剂的例子很少，大都是利用改性海泡石作催化剂。因为，未改性海泡石很难适于各种反应。
　　酸改性是一种经典的粘土改性方法，能脱除八面体层阳离子，而四面体骨架依然保持不变。蒋文斌等^{［13，15，16］}研究了改性海泡石的酸性与烃反应性能的关系。结果表明，海泡石经盐酸处理后制得的“改性土”，其骨架镁已被不同程度的脱除。由红外光谱可见，随脱镁率增大，反应过程中的H⁺取代八面体阳离子并与Si—O骨架形成Si—OH基。结晶水、镁羟基则随脱镁的进行而逐渐失去。这就导致海泡石晶内连通并向中孔发展，使微孔的比例减小，中孔的比例增大，有利于反应的进行。1989年，Campelo等^［17］用不同浓度硫酸处理海泡石，并用之于催化环己烯异构反应。结果表明，酸处理后海泡石的表面积增大，活化能降低，活性和选择性都得到了很大的提高，但随焙烧温度的升高及酸浓度的增大，比表面、活性都下降。
　　离子交换也是海泡石改性的一种方法。一般来说，用高价阳离子代替八面体层边缘的镁离子可使海泡石产生中等强度的表面酸性。1987年，Corma将Al³⁺交换的海泡用于乙醇脱氢反应。结果发现，Al³⁺交换海泡石的活性是天然海泡石的200倍^［18］。这主要是因为海泡石八面体层边缘的镁离子很难极化与之配位的水分子以产生质子，而引入具有较强极化能力的Al³⁺和Cr³⁺等阳离子可以产生一定量的B酸，这正是脱氢反应所需的酸中心。相反，如果用低价电荷的阳离子如K^＋，Na^＋和Cs⁺等取代海泡石的镁离子则可产生新类型的强碱催化剂。有研究表明，在该体系催化剂中，碱性阳离子半径越大，活化能越低，碱性越强，活性越好^［19］。Damyanova等^［20］用稀土对Ni-海泡石进行改性，发现稀土La对加氢反应有明显的改善作用。而我们目前的研究^［21］也表明，稀土钐对苯加氢反应催化剂Ni-海泡石也有明显的促进作用。

4　结语
　　综上所述，海泡石是一种具有类似绿坡缕石结构的板条状富镁的粘土矿物，它的八面体位置大部分被镁所填充。由于海泡石具有巨大的比表面和独特的孔结构，海泡石的用途十分广泛，尤其是在吸附和催化方面。用改性海泡石作为吸附剂和催化剂载体具有巨大的应用潜力。在环保领域中，由于其比表面仅次于活性炭，而其价格却十分低廉，因此海泡石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。在这方面，国内外学者对海泡石的研究尚属发展阶段。另外，稀土元素在海泡石上的应用研究较缺乏，尤其是国内尚属空白。而且尽管一些学者对海泡石的改性及其催化性质作了一些研究，但是改性海泡石的表面性质、结构与催化性能的关系尚不清楚，海泡石的作用机理不够深入和明确。在以海泡石为载体的催化剂中，海泡石载体、活性组分和助剂之间的关系尚不明确。因此，对海泡石进行深入和系统的研究就显得十分必要。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(29863002)；江西省自然科学基金资助项目(982002)

作者简介：邓庚凤(1971-)，女，江西南康市人，在校硕士研究生，1996年7月毕业于江西师范大学化学系本科.

作者单位：南昌大学　应用化学研究所　江西　南昌　330047

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