2.2　蛭石的结构与性质

蛭石在自然界中主要是以镁和硅形式存在的一类黏土^[3]，一般化学式为（Mg，Fe，Al）₈（Si，Al）₄O₁₀（OH）₂·4H₂O。蛭石化学组成随产地不同会有所变化，表2-1是新疆尉犁县蛭石矿主要化学组成^[4]。蛭石由两层硅氧四面体（部分硅被铝取代）和一层铝氧八面体（有氢氧根离子和镁等）构成，形成了具有限定结构的层状堆叠。层间是水化层，含有水和二价或一价金属等金属离子，金属离子可以是钠、钾、镁、钙、锂、铯、钡、铷离子等。因此，两层硅氧四面体夹杂一层铝氧八面体的蛭石是属于2:1的典型层状硅铝酸盐^[5，6]。结构分析显示：层间水分子网络扭曲成六边形，通过弱的氢键与硅氧四面体层板的氧相连接，部分水分子呈游离状态；然而水层中的镁离子与水分子呈八面体形式存在于层板间（[Mg（H₂O）₆]²⁺）^[7]。蛭石中硅氧四面体的四价硅被三价铝代替（Al代替Si=1/3～1/2），使层板带负电荷（单位电荷数为0.6～0.9）。为了平衡带电，层间插入阳离子，如图2-2所示。大多数情况下，层间阳离子主要是Mg²⁺，层间阳离子容易与其他阳离子进行交换，即蛭石是具有强大的离子交换性能的^[8，9]。层间水含量与环境和层间阳离子种类等有关。比如层间阳离子为镁离子时，含水较高；而为铯离子时，含水最少^[8]。蛭石的结构如图2-2所示。

表2-1　新疆尉犁县蛭石矿主要化学组成（质量分数）^[4]

注：“～”是大约值，浮动不超过±0.5%。

图2-2　蛭石结构模型示意图^[10，11]

蛭石属单斜晶系，晶胞参数一般为：a⁰=0.54nm，b⁰=0.93nm，c⁰=1.44nm，α=γ=90°，β=97°；晶胞单元属于C_2/c。在标准状况下，蛭石的c⁰=1.481nm时，层间为完整水分子层；c⁰=1.436nm时，为双层水分子层；c⁰=1.159nm时，为单层水分子层；c⁰=0.902nm时，完全脱水。在500℃加热脱水后，蛭石可以吸水复原，但超过700℃后，则不具备还原性^[10，11]。

蛭石的广泛应用源于它的特殊结构，其结构决定了它具有独特性质，主要包括^[1，4]以下几点。

①膨胀性　是蛭石的特征性能，也是其他硅酸盐类化合物所没有的特性。根据原矿蛭石大小不同，膨胀性也不一样，最高可膨胀到30多倍。

②阳离子交换性　层间由弱的氢键和范德华力构建，因此蛭石具有强大的阳离子交换能力。

③吸附性　蛭石经膨胀后，体积迅速增大，密度显著降低，孔隙率增加，使其具有强大的吸附性能；膨胀后对水具有吸收性，并具有保水和缓释作用，农业上广泛用作植物的培养基和化肥的缓释剂载体。

④隔热性和隔声性　蛭石膨胀后，空间充满空气，空气热导率低，具有隔热性；蛭石片层薄，具有震动消声作用。

⑤耐火性和耐冻性　膨胀蛭石外形虽然像木屑，但是由硅铝酸盐构成，具有耐高温和耐冷冻特性，广泛用作耐火砖、防火板等建筑材料的原料。

⑥化学性质稳定　固体为中性，耐酸碱，具有缓释和保湿作用，广泛用于除甲醛吸附剂材料的制备。

目前，蛭石主要用于建筑和农业等领域，同时也可用于石油工业催化剂的载体和水处理吸附剂等，现已形成一个庞大的应用体系^[1～4]。