山西灵丘膨润土矿物学特征分析

甘学锋

(1.广东省佛山地质局矿物应用研究所；2.四会市飞来峰非金属矿物材料有限公司)

膨润土主要由蒙脱石的硅酸盐矿物组成，晶体结构为由两个硅氧四面体片夹一层铝(镁)氧八面体片构成的2∶1型层状硅酸盐结构。主要化学组分是二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)和水(H2O)，氧化镁(MgO)、氧化铁(Fe2O3、FeO)含量有时也较高，另外钙、钠、钾等常以不同含量存在于膨润土中[1]。分析确定矿物组分、蒙脱石晶体形貌和层电荷属型等矿物学特征是该膨润土资源综合利用的基础和必要前提。

1 试验方法

拣选出杂质少的山西灵丘膨润土原矿样，投入到约60 ℃热水中，搅拌成浆，反复搓洗使块状物充分崩解，去粗除杂，取悬浮液静置沉淀，取上层悬浮液多次高速离心，刮去上层膏状物，加纯净水搅拌，重复离心步骤，最后烘干磨粉制备提纯样。通过分析测试原矿样、提纯样的理化性质、XRD和SEM，推导计算晶体化学式，判定蒙脱石层电荷属型。

2 试验结果与讨论

2.1 理化性质

山西灵丘膨润土原矿以白色、类白色和淡黄色为主，部分受铁质渲染呈红色或黄色。矿石具显微鳞片变晶结构、隐晶质结构、变余火山角砾结构；呈致密块状构造、斑杂构造，部分呈角砾状构造、条纹状或条痕状构造。原矿样、提纯样、理论标准样化学多元素分析结果见表1[2]，原矿样、提纯样理化指标见表2[3-4]。

表1 化学多元素分析结果 %

表2 理化指标分析结果

由表1、表2可知，原矿样、提纯样SiO2含量分别为67.32%、63.10%，按地质学可分别归属于酸性岩、中性岩；SiO2+Al2O3+L.O.I.含量合计分别为90.79%、89.99%，其他元素均较少；提纯样较原矿样SiO2含量减少4.22个百分点，主要是剔除了伴生石英导致。原矿样和提纯样的胶质价、膨胀容均较高，证明其胶体性能较好；相比原矿样，提纯样吸蓝量、胶质价、膨胀容和白度分别提高32.2，38.7，15.7和18.8个百分点，提升幅度明显；原矿样和提纯样ECa2+、CEC分别为74.2%、72.8%，按蒙脱石可交换的阳离子种类，均属钙基膨润土[4]；纯蒙脱石理论标准样化学成分可通过减量计算获得。

2.2 XRD与SEM分析

原矿样、提纯样XRD分析结果见图1，提纯样扫描电镜(SEM)分析结果见图2。

由图1、图2可知，原矿样、提纯样d(001)分别为1.538 4 nm，1.554 6 nm，一般钙基蒙脱石d(001)为1.55 nm[1]，因此判定原矿样、提纯样均属钙基膨润土；提纯后，XRD图谱的方解石、石英等杂质矿物特征衍射峰消失，但仍保留着难以剔除的方英石特征峰；结合Jade软件半定量估算矿物含量，提纯样中含有7%的方石英。 提纯样可见表面蜡质光泽、呈团状，蒙脱石结晶度较好，单晶体多数不大于1 μm，晶体形态呈微细假六边形和不规则多边形迭层状和堆垛状，部分剥离呈片状。

2.3 晶体化学式[5]

矿物化学式有两种表示方法，即实验式和结构式(晶体化学式)。最常用的是氧原子计算法，即以单位分子中氧原子数(Of.u.)为基准来计算。 蒙脱石晶格内广泛存在着异价类质同象置换。四面体中的Si4+可以被Al3+置换，而八面体中的Si4+、Al3+可以被Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+等置换[1]。因此依置换关系假设分子结构式：

(1)

根据表1理论标准样的化学多元素分析结果推算可得蒙脱石晶体化学式，结果见表3。

表3 蒙脱石晶体化学式推算结果

由表3可知，归一化含量折算比Of.u./∑Oi=11/3.114=3.532，蒙脱石晶体半晶胞层电荷I=22-∑(阳离子+)=22-21.546=0.454。代入简化的分子结构式，则晶体化学式

D0.454(Si3.987Al0.013)(Al1.450Fe0.083Mg0.481)O10(OH)2，

(2)

从该晶体化学式可知，此蒙脱石晶体中硅氧四面体中的阳离子接近全为Si4+，这与成矿母岩中SiO2过饱和的化学组分特征十分吻合。根据《高岭土、膨润土、耐火黏土矿产地质勘查规范》，可判定灵丘膨润土的蒙脱石属于高层电荷型。

3 结 论

山西灵丘膨润土属钙基膨润土，伴生方解石、石英、方英石等杂质矿物，其中方英石难以剔除。原矿属酸性岩，白度较高，有较好的胶体性能，提纯后各项物理化学指标明显提高。矿石中蒙脱石结晶度较高，晶体形态呈微细假六边形和不规则多边形迭层状和堆垛状，部分剥离呈片状。推算晶体化学式为D0.454(Si3.987Al0.013)(Al1.450Fe0.083Mg0.481)O10(OH)2，蒙脱石晶体中硅氧四面体中的阳离子接近全为Si4+，说明该膨润土中蒙脱石属高层电荷型。该膨润土综合指标较好，但伴生难以剔除的方石英，可应用于涂料化工行业作高档填料。