海泡石活化改性研究现状及产业发展趋势

徐鹏金/文

引言

海泡石活化改性研究现状

及产业发展趋势

【摘要】海泡石是制备粘土功能矿物材料的重要原料，是一种环保功能矿物材料，已成为新材料工业的重要组成部分。但是天然海泡石酸性极强，很少直接用作催化剂，若要提高其性能，还必须对其进行活化改性处理。本文重点介绍了海泡石活化改性研究现状，并对海泡石产业发展趋势进行了分析。

【关键词】海泡石；功能矿物材料；活化改性；发展趋势

海泡石是一种含水富镁硅酸盐粘土矿物，属特种稀有非金属矿，其特有的孔道、纤维结构使其拥有优异的吸附能

力，是一种环保功能矿物材料。

海泡石在废气、废水以及土壤治理和修复中具有重大作用，是非金属功能

矿物材料重点发展的矿种之一。

1.海泡石简介

1.1海泡石的特性

海泡石（sepiolite）是由德国学者威尔纳于1789年发现并命名的，是德文“海泡沫”的意思。由于它质量极轻，能浮于水面，与墨鱼的多孔骨骼相似而得名。海泡石的化学成分较为简单，主要为硅和镁，SiO 2含量一般在

54%～60%之间，MgO 含量多在20%以下，并常含有少量铁、锰等元素。

海泡石具有非金属矿物中最大的比表面积和独特的内部孔道结构，这使它具有三大特性[1]：①吸附特性。海泡石能吸附自身重量2～2.5倍的水，并能吸附极性分子；②流变特性。可用于增

稠剂、悬浮剂、触变剂、黏结剂等；③催化特性。海泡石具有良好的力学抗性，并能通过酸化处理改变面积，符合工业用催化剂标准。此外，海泡石还具有脱色、隔热、绝缘、抗腐蚀、

抗辐射等性能。

2.海泡石的活化改性研究现状

近年来，国内海泡石市场主要集中于比较传统的催化剂载体、钻井泥浆的增稠剂、化学制品添加剂等，市场上初级加工产品和低附加值产品比例较高，而高附加值产品非常少，尚需进一步突破。而海泡石众多优良性能的增强依赖于海泡石的纯度，海泡石的纯度越高，性能越强。此外，天然海泡石的表面酸性弱、通道小没有完全打开、比表面积没有达到理论上的要求,这些均限制了海泡石的应用。因此，必须通过对海泡石进行活化改性来增强它的优良性能以

满足各个行业的广泛需求[3]。

2.1酸处理

天然海泡石的比表面积与其组成

密切相关。产地不同的海泡石，化学

组成也不相同，但其结构单元均为

硅氧四面体与镁氧八面体交替成具

有0.38nm×0.94nm大小的内部通道

结构。由于Mg2+具有弱碱性，遇弱

酸会生成沉淀而沉积于海泡石的微孔

结构中，故目前处理酸均为强酸（如

HNO

3

、H

2

SO

4

及HCl等）。不同强酸

对海泡石的处理机理相同，均为H+取

代骨架中的Mg2+。

用强酸处理海泡石的主要作用有：

提高海泡石的比表面积和耐热性，用

来制备高比表面积的催化剂和催化剂载

体；改变孔径分布，调整孔径大小，使

之对特定反应具有适宜的孔径和高的比

表面积；增加表面酸中心数量，这对需

酸的中心骨架异构化及歧化反应十分有

利[4]。

1.2海泡石的资源概况

海泡石属特种稀有非金属矿，在自然界分布不广，主要分布在西班牙、中国、美国、土耳其等少数几个国家。

目前世界上已探明储量约为8000万吨。其中，中国已探明储量约2600万吨，主要分布在湖南、江西、河北、陕西、安徽等省区，其中90%分布在

湖南；而湖南海泡石80%以上分布在

湘潭。湘潭探明储量为2140万吨，远

景储量在3000万吨以上，其中湘潭杨

家桥-石潭地区拥有全国最大的海泡

石矿，矿带长达16公里，已探明储量

1200万吨，远景储量在2000万吨以上，

全可露天开采。

1.3海泡石的应用

海泡石的特殊结构决定了其独特的

物理、化学性质，因而被广泛地应用于

不同领域。

海泡石的主要用途[2]

应用领域主要用途

石油、化工钻井泥浆、吸附剂、脱色剂、催化剂、分子筛、增稠剂等

轻工、医药、食品酿酒等的脱色剂、果汁等的澄清剂、干燥剂、化妆品增稠剂、医药载体等

环保废气、污水的处理，空气净化，吸附重金属离子污染物等

机械型砂黏结剂、电焊条药皮等

非金属材料隔音、隔热材料，耐高温涂层，特种陶瓷，用于摩擦材料等塑料、橡胶功能填料

农业农药、化肥等的载体，饲料添加剂、黏结剂，动物药剂等强酸对海泡石的处理机理

2.2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。有研究表明，高价金属离子Mg n+（n>2）取代海泡石骨架中的Mg2+能增加海泡石表面的酸

性；同价金属离子M2+取代Mg2+时，

海泡石的结构及表面酸性无显著变化；

当海泡石中的Mg2+被低价的碱金属阳

离子取代时，则增加了海泡石表面的碱

性[5]。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。

海泡石晶格离子交换机理

2.3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。水热处理后的超细海泡石酸活化速度明显加快，比表面积较大。但反应中的温度过高易使海泡石纤维分解为细小纤维，使其粘度增大，分离难度增加，因而用水热法处理海泡石要选择适当的温度和搅拌时间[6]。

2.4高温活化法

海泡石的晶体结构存在三种形式的水，即吸附水、结晶水、羟基水。高温活化法是指在一定温度范围内（100℃～300℃），脱去海泡石孔道中的吸附水，形成表面积很大的空穴，从而增强其吸附能力。当温度高于

300℃时，海泡石矿物的结构会受到不

同程度的破坏，吸附性能改变。因此，

对海泡石进行焙烧改性时应控制合理的

温度，从而保证其吸附能力。

2.5 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。

有机改性剂能够与海泡石表面的

Si-OH 基团发生酯化反应、缩合反应、

醚化反应等，从而将不同长度的碳链引

入到海泡石晶体结构中去，起到改善其

表面的疏水性、降低其表面能、扩大孔

道横截面积等作用[7]。

2.6矿物改性

矿物改性是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

孔中的一种较好的处理方法。分别以环

氧丙烷及氨水作为沉淀剂将AlPO

4

沉

积到海泡石的结构中。研究结果表明，

AlPO

4

的引入不仅能提高海泡石的表面

酸性，而且孔结构也会得到不同程度

的调整；AlPO

4

-海泡石对催化反应有

较高的活性和良好的选择性，而且反

应条件温和[8]。

海泡石的活化改性方法有很多，但

其中任一种方法均不能全面提高海泡石

的活性。实际生产中，应根据海泡石的

应用领域、使用目的选择不同的活化改

性方法。

3.海泡石产业发展趋势

3.1国内外海泡石产业发展概况分析

中国工程院院士、武汉理工大学教授余永富表示，我国自2007年以来，海泡石的产量和需求量稳定增长。就全球而言，未来几年市场需求量大于产量，供需差稳定在3万吨左右。就国内而言，海泡石的需求量增长速度大于现有产量，供需差处于增长状态，预计将从2014年的0.3万吨，增长到2018年的2.2万吨。

对于国内，海泡石加工生产企业多集中于河南、河北、湖南等海泡石主矿产地，企业竞争也呈现较为明显的区域性。

其中河南、河北等地从事热液型海泡石生产的企业数量不少，但集中于矿石初级产品贸易环节。湖南省内矿产区周边较多企业从事海泡石粗加工生产。

近年来，低加工、低附加值的情况正在转变。

据悉，从现在起至2022年，湘潭

海泡石科技产业园将总投资10亿元，

实现总产值达20亿元，打造中国“海

泡石之都”。区域性发展也在慢慢以产

业集群的态势发展。

对于国外，市场的增长主要发生在

高附加值产品上。

如欧洲，欧洲海泡石市场以大约

3%～4%的年增长率增长，主要增长

市场预计是流变性控制产品。

在欧洲，90%的海泡石来自西班牙，

西班牙是全球最大的海泡石生产国。其

中Tolsa公司是目前西班牙最大的海泡

石生产商，具有70万吨/年的生产能

力，可提供51.5万吨干海泡石产品。

在这些产品中，约35.3万吨被消

费在宠物垫圈市场，约16.2万吨消费

在吸附剂、农药、动物饲料和钻井泥浆

上。

近年来，Tolsa公司新开发出几种

新产品，包括流质猪饲料悬浮剂、用在

建筑中的流变性能调整剂和消除异味的

粒状海泡石[9]。

3.2从矿物材料到矿物功能材料

的转型升级

海泡石具有独特的物理、化学性质，

应用领域非常广泛。在工艺设计领域，

海泡石很早就被用来制作烟斗。

在工业应用方面，海泡石深加工后，

纯度达到80%，可用作涂料、油漆、造

纸、铸造等90多个产品和行业的功能

性材料，进一步提纯和变性后，可生产

空气净化剂、分子筛、水净化剂、抗菌

剂等，而且在国防工业的用途也正在迅

速扩大。

非金属矿工业“十三五”发展规划

也提出，未来海泡石重点发展用于环境

保护、医疗、食品等领域的空气净化材

料、分子筛、水处理材料、土壤改良剂、