蒙脫石礦物為什麼有陽離子交換能力

Ⅰ 儲層損害及類型

1. 儲層損害

儲層損害是指在油氣井完井和生產階段，造成減少油氣層產能或降低注氣、注液效果的各種阻礙。

根據多孔介質中流體滲流理論，油氣從油氣層流向井底，進而形成產能，其流動規律遵從達西定律。在控制油氣井產能的眾多因素中，儲層滲透率屬於儲層自身物性。當儲層受到損害時，宏觀上表現為儲層滲透率下降。因此，保護油氣層的核心問題就是保護儲層的滲透率。

油氣藏多孔介質中的流體向產油氣井作徑向滲流的過程如圖3-70所示。如果將流體視為不可壓縮，且保持穩定流狀態，油氣井產能計算公式為：

油氣田開發地質學

式中：Q——流體流量 （油井產量），cm³/s；K——油層岩石滲透率，μm²；h——油層厚度，cm；μ——流體粘度，mPa·s；p_e——供油區外邊界壓力，MPa；p_w——井底壓力，MPa；r_e——供油區外邊界半徑，cm；r_w——油井半徑，cm。

圖3-70 流體徑向流入井筒模型

當油氣層受到損害後，在近井筒附近形成一個低滲透的損害帶 （圖3-71），流體要經過兩個滲透區才能流入井筒。根據達西公式可知：油井產量＝損害帶油量＝未損害帶油量，即：

油氣田開發地質學

圖3-71 井眼周圍損害帶示意圖

式中：K_d——損害帶滲透率，μm²；K_e——未損害帶滲透率，μm²；r_d——損害帶半徑，cm；p_d——半徑為r_d處的壓力，MPa； ——油氣層平均滲透率 （或稱總視滲透率），μm²。

而p_e-p_w＝（p_e-p_d）＋（p_d-p_w），因此有：

油氣田開發地質學

可見，決定油氣井產能的平均滲透率 和K_d有關。產層未受損害時，K_d＝K_e＝ 地層流體不能流入井筒，油氣井產能喪失。因此，對於某一油氣井，其地層條件 （r_e，h，μ）、油氣井條件 （r_w） 及生產方式 （p_e-p_w） 確定後，導致產量下降的主要因素是地層滲透率下降。因此滲透率是評價油氣層損害的一項重要指標。

2. 儲層損害類型

從鑽頭鑽開油氣層起，在整個開發過程中，油氣層相繼受到鑽井、注水泥、射孔、防砂、酸化、壓裂、注水、三次採油等工程處理。這些油氣井工程作業都要接觸各種工作液，都會不同程度地破壞油氣層原有的物理一化學平衡狀態。因此，幾乎每一個生產工序都可能給油氣層帶來損害。關於油氣層損害分類. 很多學者從不同角度提出了不同的分類方法。P. B. Basan （1985） 在用地層損害指數評價泥質砂岩流體敏感性的研究中，將油氣層損害歸納為表3-9中的10種類型；而Charles H. Hewitt （1988） 在研究水敏性儲層時，對油氣層損害問題分類的方法如表3-10所示。

L .Alegne （1990） 等在研製診斷地層損害問題的專家系統時，對損害問題的分類以油氣層損害原因和根源為依據，用模擬專家分析的方法查找地層損害的原因。O. G.Kersey（1999） 在論述岩石學分析在非損害性鑽井、完井及增產措施設計中的作用時，著重分析了儲層潛在的敏感性，並以此為基礎將儲層損害分為水敏性、酸敏性、微粒運移、結垢及出砂等幾種類型。

表3-9 油氣層損害與產生原因分析

表3-10 油氣層損害分類

（1） 水敏性損害

水敏性是指岩石與外來水接觸後，其中的粘土礦物發生膨脹水化、分散脫落、運移，而導致地層滲透率降低的現象。水敏性損害是各種油層損害類型中最復雜、最主要的一種。產生水敏性損害的原因，一方面是由於膨脹性粘土遇水膨脹，減小了油層的孔隙通道；另一方面是一些非膨脹性粘土遇水產生分散脫落，釋放微粒，並且微粒隨流體運移而堵塞孔隙通道。最易產生水化膨脹的粘土礦物有蒙脫石、伊利石/蒙脫石、綠泥石/蒙脫石混層礦物。這是由於蒙脫石的晶體構造使其具有較大的陽離子交換能力和較高的晶層底面水化能。在鑽開油層之前，粘土礦物與地層水達到膨脹平衡狀態。打開油層後，外來流體隨之進入油層。當進入油層的流體的化學成分和礦化度與其不配伍時，岩石中的膨脹性粘土便能在其外表面或單元晶層間吸附大量水分子，使體積發生膨脹。而且，粘土分子結構內吸附的水量受可交換陽離子數的控制。因此，不同種類的蒙脫石粘土膨脹能力也不同，鈉蒙脫石具有最強的膨脹性，可膨脹到原來體積的10倍；鈣蒙脫石只具有中等膨脹能力。此外，高嶺石、伊利石等非膨脹性粘土，在與陽離子濃度較低或者有反絮凝離子的水接觸時，原有的絮凝平衡狀態遭到破壞，使粘土顆粒產生分散，從砂粒表面脫落下來，而隨流體在油層孔隙內運移。同時，膨脹性粘土遇水膨脹後引起的物理不穩定性也促進了分散和運移的發生。粘土膨脹和分散運移的最終結果都是造成油層滲透率的損害。

（2） 酸敏性損害

酸敏性是指岩石與酸液接觸後，發生有害反應生成沉澱或岩石解體產生地層微粒，而引起油層滲透率降低的現象。工程中最常見的酸敏性損害是對鹽酸 （HCl） 和氫氟酸（HF） 的敏感性。油層岩石中當有鐵質綠泥石和黃鐵礦等含鐵礦物存在時，將對進入油層的鹽酸及高氧流體最敏感。因為這些礦物在溶解於溶液時，釋放出的鐵離子會生成Fe（OH）₃，凝膠而堵塞油層孔隙喉道。方解石、白雲石等含鈣的碳酸鹽礦物則對氫氟酸最敏感。它們會與氫氟酸發生有害反應，生成不溶解的氟化鈣沉澱。另外，其他礦物，如硅酸鹽礦物，溶解後釋放出硅離子，可與進入油層的低濃度的氫氟酸沉澱出 ［Si （OH）₄·nH₂O］ 水化膠體物質。這些物質都可以減小孔道面積或堵塞喉道而降低岩石滲透率。如果儲層岩石膠結物中可酸溶物含量高，酸液對骨架的溶解會造成岩石的非固結狀態和顆粒運移而損害油層。

（3） 微粒運移損害

微粒運移是指由於流體流速較高或壓差波動較大，使儲層中固有的顆粒脫落，隨流體發生移動，在孔隙喉道中形成 「橋堵」 或 「帚狀」 堆積而阻擋流體流動。在水敏性損害中論述的分散/運移與微粒運移是有差別的。前者產生的機理是一種電化學反應，後者主要是流速對微粒的擾動作用。並且，一般講，分散/運移只是指那些粘土粒級的顆粒的作用，而微粒運移的 「粒源」 則很廣泛，包括所有粒級的礦物及其他組分顆粒。它可以是岩石顆粒，也可以是有機顆粒，如含碳有機物殘渣及不能移動的烴類顆粒等。產生 「粒源」 的原因很多，一般來講，膠結不好的 （弱膠結或未膠結） 地層，或者以粘土為主要膠結物的地層，對於流速引起的微粒運移損害最敏感。另外，疏鬆地附著於岩石孔隙壁處的各種覆蓋物也是重要的 「粒源」。

（4） 結垢損害

油田生產過程中的結垢問題可能發生在各種作業中，而且可能發生在井筒和管線內，也可能發生在地層孔隙內。井筒和管線裝備中的結垢問題容易被發現，因此早已引起礦場工程師們的高度重視。然而從保護油氣層的角度來說，研究發生在地層內的結垢問題更為重要，處理這種結垢也比處理管內的結垢更為困難。地層結垢泛指在地層孔隙內形成的各種沉澱物，它包括無機垢和有機垢兩大類。形成結垢是由於地層岩石和流體的內在原因和外界物理化學因素引起的。無機結垢是很多生產井和注入井主要的損害原因。形成無機垢的原因很多，如果地層岩石中含有石膏、重晶石、水鎂石、石灰石、天青石、岩鹽及含鐵礦物時，會成為引起地層結垢的潛在因素。當油層被打開後，外來液進入油層，改變了地層流體成分，同時地層壓力、溫度條件改變，使原有的熱動力學和化學平衡狀態被打破，鹽水溶液中一些可溶性物質達到過飽和的程度，從而導致垢片的形成。另外，不配伍流體在進入地層後產生有害混合，也會生成垢物，這種情況在開采過程經常有發生。很多事例表明，在注水、注氣 （汽） 及注化學驅油劑時，由於使用不配伍的水質，會產生大量的結垢而損害油氣層。在油田作業中常見的無機垢物有碳酸鈣、硫酸鐵、氧化鐵、硫酸鈣、硫酸鋇、碳酸鐵、硫酸鍶等。在化學驅油中有時還出現鹼垢。有機結垢同樣也是由地層內在因素和外界原因引起的。研究表明，原油中的蠟和膠質瀝青是有機垢的主要來源。當油層未打開時，蠟和膠質瀝青作為原油的組分之一在原油中處於溶解平衡狀態，打開油層後，這種平衡狀態可能被破壞。由於向地層注入流體等原因使原油溫度低於析蠟點時，石蠟就會從原油中沉澱出來。pH值很高的濾液侵入井眼附近區域的油氣層會導致瀝青從原油中沉澱出來。另外，由於瀝青質在原油中是一種膠體的分散體，它以高分子量的多核芳烴聚集在小分子的天然樹脂和石蠟烴上。這些球狀的聚集體密度約為1.2g/cm3，直徑約3.0～6.5nm，並以固有的吸附層而穩定地分散著。酸化作業時，瀝青質原油對Fe2＋和Fe3＋非常敏感。生成的鐵化物在地層中形成的不溶性的膠體沉澱，既可堵塞地層，又是一種乳化穩定劑，促使瀝青膠質堵塞地層。

（5） 水鎖損害

水鎖一般指由於水進入油層後引起的液體堵塞，它是一種物理原因的損害。一方面，由於外來水的滲入，改變了油氣層中的油水分布，含水飽和度增大而含油飽和度降低，必然導致油相滲透率減小，在相同的生產方式下，油井產量下降；另一方面，由於水的滲入，油氣層孔道中呈兩相共流狀態，不連續相則形成液珠在流動過程中將產生阻礙流動的各種毛管力效應。由於油氣層孔隙網路的復雜性和不均勻性，這些毛管力效應便成為不可忽視的流動阻力。顯然，水鎖損害與岩石礦物組成無關，只與兩相流體的界面張力有關。因此，無論哪種岩性的油層都存在水鎖損害的可能性。

（6） 潤濕性改變損害

不同油氣層岩石表面具有不同的電性和潤濕性，一般可分為親油岩石和親水岩石兩大類。這里所說的潤濕性改變損害是指由於岩石吸附化學劑改變岩石表面潤濕性而造成油氣層油相滲透率下降的損害。這種類型的損害與岩石成分有關。砂和粘土都是含硅質物質，通常其表面呈負電性，用陰離子型化學劑處理時，不吸附或吸附很少，而陽離子表面活性劑卻能牢固地吸附在砂岩表面，使其具有親油性。石灰岩在pH值為0～8的環境下，大多數表面帶正電荷，陰離子表面活性劑常使石灰石或白雲石變為親油表面，而陽離子表面活性劑則可使其成為親水表面。據一些文獻報道，水潤濕地層轉變為油潤濕地層後，可使油相滲透率降低40％。可見，由於岩石潤濕性轉變給油層帶來的損害也是不可忽視的。

（7） 固相顆粒侵入損害

固相顆粒侵入是指入井流體直接將固相顆粒帶入地層，堵塞孔隙喉道，進而損害油氣層滲透率。固相顆粒包括無機固相顆粒和有機固相顆粒。首先，侵入地層的固相顆粒來自鑽井完井施工作業。由於井內液柱壓力與地層壓力的不平衡，在井眼表面、射孔孔道及裂縫孔隙內形成濾餅，使過濾面堵塞。這種堵塞與液體的濾失性能、固相含量、液柱壓差、環空流速、轉速，以及施工液與地層接觸時間有關。固相顆粒侵入油氣層是在濾餅形成之前發生的。在注水開采過程中，如果注入水水質不符合要求，固相懸浮物和細菌隨之侵入地層，其損害范圍會更大，損害程度也更嚴重。固相顆粒侵入損害的根源受外界因素的影響，而固相顆粒侵入後使油氣層滲透率下降的幅度與岩石的孔隙結構有關，因此固相顆粒侵入損害是所有油藏都會面臨的損害問題。

（8） 出砂損害

當油氣層岩石屬於弱膠結或未膠結型時，在高速採油的情況下，岩石結構的完整性遭到破壞，發生解體，形成鬆散的砂粒或微粒物質。其中較大的顆粒形成架橋或卡堵而堵塞孔隙。較小的顆粒隨油流流向井筒，造成油井出砂，堵塞生產層段，甚至引起地層滑移而擠壞套管，迫使油井停產。另外，在施工作業中，如果工作液使用不當，造成膠結物中粘土礦物分散或者其他礦物的溶解，破壞了岩石的膠結狀況，也會導致或加劇油井出砂帶來的油氣層損害。

從上述損害類型可以看出，幾乎所有的儲層損害都是一系列物理、化學過程的結果。一些損害是由於儲層岩石的特殊礦物性質和結構特徵所造成的，屬於儲層潛在的損害因素，也稱為儲層敏感性。通常把那些極易帶來損害的礦物稱為敏感性礦物。另一些損害則是由於特殊的工藝條件造成的，屬於工程因素。

Ⅱ 離子交替吸附作用

離子交替吸附作用主要發生在具有固定電荷的固體礦物表面，無論是陽離子還是陰離子，均可發生交替吸附作用，但目前研究得較多的是陽離子交替吸附作用。離子交替吸附作用的一個重要特點就是，伴隨著一定量的一種離子的吸附，必然有等當量的另一種同號離子的解吸（圖2-5-4）。離子交替吸附作用之所以具有這樣的特點，主要是由於吸附劑通常都具有一定的離子交換容量，因此這里首先對離子交換容量予以討論。

圖2-5-3 有機質表面的負電荷

圖2-5-4 陽離子交替吸附作用圖解

2.5.2.1 離子交換容量

離子交換容量包括陽離子交換容量（CEC—Cation Exchange Capacity）和陰離子交換容量（AEC—Anion Exchange Capacity），我們主要討論陽離子交換容量，它被定義為每100 g干吸附劑可吸附陽離子的毫克當量數。例如，在蒙脫石的結晶格架中，鋁八面體中的三價鋁可被二價鎂所置換，根據測定，每摩爾蒙脫石中鎂的含量為0.67 mol，即蒙脫石的分子式為：Si₈Al_3.33Mg_0.67O₂₀（OH）₄。已知蒙脫石的分子量是734 g，因此這種蒙脫石的陽離子交換容量為：

水文地球化學

在實際中，通常都是通過實驗來測定吸附劑的陽離子交換容量。尤其是對於野外所採取的土樣或岩樣，由於其中含有多種吸附劑，實驗測定往往是唯一可行的方法。陽離子交換容量的實驗測定在多數情況下都是用pH為7的醋酸銨溶液與一定量固體樣品混合，使其全部吸附格位被所飽和，然後用其他溶液（例如NaCl溶液）把被吸附的全部交換出來，達到交換平衡後，測定溶液中Na⁺的減少量，據此便可計算樣品的陽離子交換容量。表252列出了一些粘土礦物及土壤的陽離子交換容量，由表可見，與土壤相比，礦物的陽離子交換容量有更大的變化范圍。

鬆散沉積物的陽離子交換容量受到了多種因素的影響，主要有：

（1）沉積物中吸附劑的種類與數量。例如，我國北方土壤中的粘土礦物以蒙脫石和伊利石為主，因此其CEC值較大，一般在20 meq/100 g以上，高者達50 meq/100 g以上；而南方的紅壤，由於其有機膠體含量少，同時所含的粘土礦物多為高嶺石及鐵、鋁的氫氧化物，故CEC較小，一般小於20 meq/100 g。

表2-5-2 一些粘土礦物及土壤的陽離子交換容量

（2）沉積物顆粒的大小。一般來說，沉積物的顆粒越小，其比表面積越大，CEC值越高。例如，根據一河流沉積物的粒徑及其CEC的實測結果，隨著沉積物的粒徑為從4.4μm增至1000μm，其CEC從14～65 meq/100 g變到4～20 meq/100 g，最終減小到0.3～13 meq/100 g。

（3）水溶液的pH值。一般來說，隨著水溶液pH值的增加，土壤表面的可變負電荷量增多，其CEC相應增加；相反，隨著水溶液pH值的減小，土壤表面的可變負電荷量不斷減少，其CEC也隨之減小。

2.5.2.2 陽離子交換反應及平衡

陽離子交換反應的一般形式可寫為：

水文地球化學

式中：A^m+、Bⁿ⁺表示水溶液中的A、B離子；AX、BX表示吸附在固體表面的A、B離子。上述反應的平衡常數可寫為：

水文地球化學

式中：a標記溶液中組分的活度；{}表示表示吸附在固體表面上的離子的活度。對於水溶液中的離子，其活度可使用表2-1-1中的公式進行計算；但對於吸附在固體表面上的離子，其活度的計算至今還沒有滿意的方法。目前主要採用兩種替代的方法來處理這一問題，一種是Vanselow慣例，另一種是Gaines-Thomas慣例。Vanselow慣例是由Vanselow於1932年提出的，他建議使用摩爾分數來代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若固體表面僅吸附了A離子和B離子，在一定重量（100 g）的吸附劑表面A、B的含量（mmol）依次為q_A和q_B，則吸附劑表面A、B的摩爾分數分別為：

水文地球化學

顯然，x_A+x_B=1。這樣式（2-5-7）可改寫為：

水文地球化學

Gaines-Thomas慣例是由Gaines和Thomas於1953年提出的，他們建議採用當量百分數來代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若用y_A和y_B分別表示吸附劑表面A、B的當量百分數，則有：

水文地球化學

同樣，y_A+y_B=1，這樣式（2-5-7）變為：

水文地球化學

目前，這兩種慣例都還在被有關的研究者所使用，各有優點，互為補充。事實上，離子交換反應的平衡常數並不是一個常數，它往往隨著水溶液的成分、pH值及固體表面成分的變化而變化，因此許多研究者認為將其稱為交換系數（Exchange Coefficient）或選擇系數（Selectivity Coefficient）更合適一些（Appelo，1994；Deutsch，1997；Benefield，1982；Kehew，2001）。

若已知兩種不同離子與同一種離子在某種吸附劑中發生交換反應的交換系數，則可計算出這兩種離子發生交換反應的交換系數。例如，若在某種吸附劑中下述反應：

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交換系數分別為K_Ca-Na和K_K-Na，則在該吸附劑中反應：

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的交換系數為：

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這是因為（以Vanselow慣例為例）：

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故有：

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表2-5-3列出了不同離子與Na⁺發生交換反應的交換系數（Vanselow慣例），據此便可按照上述的方法求得這些離子之間發生交換反應時的交換系數。

需要說明的是，在表2-5-3中，I離子與Na⁺之間交換反應的反應式為：

水文地球化學

表2-5-3 不同離子與Na⁺發生交換反應時的交換系數

其交換系數的定義式如下：

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【例】在某地下水系統中，有一段含有大量粘土礦物、因此具有明顯陽離子交換能力的地段，假定：

（1）該地段含水層的陽離子交換容量為100 meq/100 g，含水層中的交換性陽離子只有Ca²⁺和Mg²⁺，初始狀態下含水層顆粒中Ca²⁺、Mg²⁺的含量相等；

（2）在進入該地段之前，地下水中的Ca²⁺、Mg²⁺濃度相等，均為10^-3 mol/L；

（3）含水層的孔隙度為n=0.33，固體顆粒的密度為ρ=2.65 g/cm³；

（4）含水層中發生的陽離子交換反應為：

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不考慮活度系數的影響，其平衡常數（Vanselow慣例）為：

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試使用陽離子交換平衡關系計算，當地下水通過該地段並達到新的交換平衡後，水溶液中及含水層顆粒表面Ca²⁺、Mg²⁺濃度的變化。

【解】：設達到新的交換平衡後，含水層顆粒中Ca²⁺的摩爾分數為y、水溶液中Ca²⁺的濃度為x（mmol/L），則這時含水層顆粒中Mg²⁺的摩爾分數為1-y、水溶液中Mg²⁺的濃度為2-x（mmol/L），故有：

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整理得：

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已知含水層的CEC=100 meq/100g，因此對於二價陽離子來說，含水層顆粒可吸附的陽離子總量為50 mmol/100 g=0.5 mmol/g。若用z表示達到交換平衡後1 g含水層顆粒中Ca²⁺的含量，則有：

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以式（2-5-25）帶入式（2-5-24）得：

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為了計算上述變化，需要對1 L水所對應的含水層中Ca²⁺的質量守恆關系進行研究。已知含水層的孔隙度為0.33，顯然在這樣的含水層中，1 L水所對應的含水層顆粒的體積為0.67/0.33（L），相應的含水層顆粒的質量為：

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故吸附作用前後1 L水所對應的含水層中Ca²⁺的質量守恆關系為：

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式中的0.25為吸附作用前1 g含水層顆粒中Ca²⁺的含量（mmol），由式（2-5-27）可得：

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以式（2-5-26）帶入式（2-5-28）並整理得：

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這是一個關於z的一元二次方程，求解該方程可得：z=0.2500627 mmol/g。代z入式（2-5-25）和式（2-5-26）可得達到新的交換平衡後含水層顆粒中Ca²⁺的摩爾分數為0.5001254，水溶液中Ca²⁺的濃度為0.75 mmol/L，故這時含水層顆粒中Mg²⁺的摩爾分數為0.4998746、水溶液中Mg²⁺的濃度為1.25 mmol/L。由此可見，地下水通過該粘性土地段後，盡管Ca²⁺、Mg²⁺在含水層顆粒中的含量變化很小，但它們在地下水中的含量變化卻較大，Mg²⁺從原來的1 mmol/L增加到了1.25 mmol/L，Ca²⁺則從原來的1 mmol/L減少到了0.75 mmol/L。

2.5.2.3 分配系數及離子的吸附親和力

除了交換系數，還有一個重要的參數需要介紹，這就是分配系數（Separation Factor）（Benefield，1982）。對於反應（2-5-6），它被定義為：

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式中c_A和c_B分別為水溶液中A、B離子的摩爾濃度。顯然，若不考慮活度系數的影響，對於同價離子間的交換反應，Q_A-B=K_A-B。式（2-5-29）可改寫為：

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由式（2-5-30）可見，Q_A-B反映了溶液中B與A的含量之比與吸附劑表面B與A的含量之比之間的相對關系。當Q_A-B=1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例等於其在吸附劑表面的比例，因此對於該吸附劑，A和B具有相同的吸附親和力；當Q_A-B＞1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例大於其在吸附劑表面的比例，因此A與B相比具有更大的吸附親和力；當Q_A-B＜1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例小於其在吸附劑表面的比例，因此B與A相比具有更大的吸附親和力。

事實上，即使對於同一陽離子交換反應，其分配系數也會隨著水溶液性質的變化而變化（Stumm and Morgan，1996）。圖2-5-5給出了Na—Ca交換反應的分配系數隨Na⁺濃度的變化。沿著圖中的虛線，Q_Na-Ca=1，這時Na⁺和Ca²⁺具有相同的吸附親和力。但在稀溶液中，例如［Na⁺］=10^-3 mol/L和10^-2 mol/L，Ca²⁺在吸附劑中的比例要遠大於其在水溶液中的比例，因此在這種情況下Ca²⁺具有更強的吸附親和力。隨著Na⁺濃度的增大，Ca²⁺的吸附親和力逐漸減弱，Na⁺的吸附親和力則逐漸增強，當［Na⁺］=2 mol/L時，Na⁺已經變得比Ca²⁺具有更強的吸附親和力。Na—Ca交換反應分配系數的這種變化對於解釋一些實際現象具有重要的意義，根據這種變化，我們可以推斷淡水含水層中通常含有大量的可交換的Ca²⁺，而海水含水層中通常含有大量的可交換的Na⁺。這種變化關系也解釋了為什麼硬水軟化劑能夠選擇性地去除Ca²⁺，同時通過使用高Na⁺濃度的鹵水溶液進行沖刷而再生。

圖2-5-5 溶液中Ca²⁺的含量對吸附作用的影響

根據離子交換反應的分配系數，可以定量地評價離子的吸附親和力。一般來說，離子在土壤中的吸附親和力具有下述的規律：

（1）高價離子比低價離子具有更高的吸附親和力。例如，Al³⁺＞Mg²⁺＞Na⁺；＞。這是因為離子交換反應從本質上說是一個靜電吸引過程，離子價越高，所受到的靜電吸引力就越大，它就越容易被吸附劑所吸附。

（2）同價離子的吸附親和力隨著離子水化半徑的減小而增大。例如，Ca²⁺＞Mg²⁺＞Be²⁺；＞K⁺＞Na⁺＞Li⁺。這是因為離子的水化半徑越小，它越容易接近固體表面，從而也就越易於被固體所吸附。

Deutsch（1997）根據Appelo和Postma（1994）的資料，對二價陽離子的吸附親和力進行了研究，他所得到了吸附親和力順序如下：

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在常見的天然地下水系統中，Ca²⁺和Mg²⁺通常為地下水中的主要陽離子，它們在水溶液中相對較高的含量將使其成為含水層顆粒表面的主要吸附離子，盡管一些微量元素可能更緊密地被吸附在含水層顆粒表面上。但在污染地下水系統中，若吸附親和力更強的Pb²⁺和Ba²⁺的含量與Ca²⁺、Mg²⁺的含量在同一水平上，則含水層顆粒表面的主要吸附離子將變為Pb²⁺和Ba²⁺，這將大大地影響Pb²⁺和Ba²⁺在地下水中的遷移能力。

綜合來講，陽離子和陰離子的吸附親和力順序分別為（何燧源等，2000）：

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可見，陽離子中Li⁺和Na⁺最不易被吸附，陰離子中Cl^-和最不易被吸附。

離子交換對地下水質產生重要影響的一種常見情況就是海水入侵到淡水含水層中。當在沿海地帶大量抽取含水層中的淡水時，海水將對含水層進行補給。初始狀態下含水層顆粒表面吸附的主要是Ca²⁺和Mg²⁺，海水中的主要陽離子為Na⁺，陰離子為Cl^-。這樣入侵的海水將導致含水層中發生下述的陽離子交換反應：

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由於Cl^-通常不易被吸附，也不參與其他的水岩作用過程。所以相對於Cl^-來說，該過程將使得Na⁺的遷移能力降低。

地下水系統中另一種常見的情況與上述過程相反，這就是Ca²⁺置換被吸附的Na⁺，反應式如下：

水文地球化學

人們在大西洋沿岸的砂岩含水層（Zack and Roberts，1988；Knobel and Phillips，1988）以及北美西部的沉積盆地中（Thorstenson等，1979；Henderson，1985）均發現了這種天然的軟化過程。該反應發生的前提條件是：含水層中含有碳酸鹽礦物，CO₂的分壓較高，含水層顆粒中含有大量的可交換的Na⁺。

Ⅲ 混層礦物的概念

在層狀硅酸鹽中，不僅各單元層間堆放的角度可以變化，而且可以在同一晶格中出現不同礦物的單元層。例如，所謂板石即由伊利石和蒙脫石兩種單元層規則交替組成的礦物，這種礦物即稱為混層礦物。混層礦物的層可以是規則交替的，也可以不很規則。

在低溫條件下形成的層狀硅酸鹽，常常有這種混層礦物出現。

多型現象和混層現象，既大大增加了層狀硅酸鹽結構的復雜性，使鑒定工作的難度加大，也為深入研究這些礦物，提供新的信息開辟了廣闊前景。

學習指導

層狀硅酸鹽的晶體結構既復雜，又有一定的規律。學習時必須聯系結構單元層類型，弄清楚每個礦物族的以下幾點:

(1)單元層的結構是2∶1型還是1∶1型。

(2)是三八面體結構還是二八面體結構。

(3)是否有Al³⁺代替Si⁴⁺，數量如何?

(4)結構單元層的電荷平衡情況，有無多餘負電荷，若有，來自哪一片(四面體片還是八面體片)?

(5)熟悉層間域的情況。有無陽離子;有什麼陽離子;有無水分子;有無類氫氧鎂石片。

在弄清上述問題的基礎上，熟記最典型的化學式。大致了解常混入的類質同象組分，並聯系礦物的成分、結構，理解其性質，尤其是比較特別的性質，如滑感、彈性、吸水膨脹、離子交換、灼燒脹大、彎曲捲筒等等。

對於晶體較顯著的層狀硅酸鹽，肉眼根據其顏色和其他性質識別並不太難。對於細分散的層狀硅酸鹽，只能進行初步鑒定，並了解進一步鑒定的方法。層狀硅酸鹽有許多共同之處，可以把它們的成分、性質和成因與鏈狀亞類進行比較。

對水文地質、工程地質和石油地質等專業來講，在沉積作用中大量出現的本亞類礦物具有重大意義。

對補充的五個問題只要求一般了解。

復習思考題

1.何謂2∶1型結構單元層和1∶1型結構單元層?試各舉兩種具有上述結構的礦物，畫出結構示意圖。

2.何謂三八面體結構和二八面體結構層狀硅酸鹽?試各舉四種礦物的例子，並寫出化學式。

3.蒙脫石族礦物為什麼具有陽離子交換性和晶格可膨脹性?

4.試分析滑石、白雲母、綠泥石和高嶺石四種礦物結構單元層之間的聯系力不同對礦物性質(硬度、彈性、滑感等)的影響。

5.何謂粘土礦物?它們有哪些特殊性質?

6.層狀硅酸鹽礦物的成因、產狀有何特點?

Ⅳ 蒙脫石ksf是經過哪方面改性的

蒙脫石是由顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構成的礦物，它們一般為塊狀或土狀。當溫度達到100～200℃時，蒙脫石中的水分子會逐漸跑掉。失水後的蒙脫石還可以重新吸收水分子或其他極性分子。
蒙脫石改性有鈉化改性、鋁改性、有機化改性等等方法。都是利用蒙脫石失水後留下的空隙，讓它吸附其它分子或物質以後進行某種性能的改變。
ksf則為關鍵成功因素分析法的簡稱，是指用關鍵成功因素分析法對蒙脫石改性過程式控制製得到的產品。本身並沒有具體的改性內容。

蒙脫石（Montmorillonite）屬於單斜晶系的含水層狀硅酸鹽礦物。其顆粒細小，具有膠體分散特性。 蒙脫石屬於2∶1型結構單元層的二八面體型，單位晶胞由兩片頂角朝里的Si-O四面體中夾一片Al-O或 Mg-O八面體形成一結構層。處於八面體空隙中的三價Al3+、Fe3+、和Cr3+離子常常被低價離子取代如Mg2+代替Al3+，Si4+常常被Al3+代替。由於部分高價陽離子被低價陽離子所取代，使結構層中的氧負電荷過剩。為了保證電荷平衡，水，交換性陽離子如Na+和Ca2+和有機液體可以進入層間結構，故蒙脫石具有陽離子交換能力。層間水分子在100～200℃時逐漸脫水，但並不破壞結構單元層的結構。脫水後的蒙脫石又可重新吸附水分子或其他極性分子進入層間。其化學式可表示為Ex (H2O)4 {(Al2-x , Mgx)2 [(Si , Al)4O10] (OH)2}。由於自然界產出的蒙脫石絕大部分為鈣基蒙脫石，鈣基蒙脫石較鈉基蒙脫石性能差，所以常用人工鈉化的方法將鈣基蒙脫石改型為鈉基蒙脫石。
由於蒙脫石存在天然膨潤土中，高純度蒙脫石是由膨潤土而得的。蒙脫石的提純的方法有很多種，目前天然蒙脫石的提純方法主要是濕法提純。常見的濕法提純是以水為介質的，水法提純主要有以下幾種：自然沉降法、重液分離法、絮凝法和離心分離法等。
蒙脫石改性是通過改變蒙脫石層間交換陽離子的種類來改變其物理化學性質。不同的無機陽離子與蒙脫石層間的親合力主要受陽離子的電荷數及其水化能控制。陽離子的水化能越小、電荷數越低，與粘土礦物層間的親合力就越強。常見的親合力順序對鹼金屬而言為：Cs+>Rb2+>Na2+>Li+,對鹼土金屬而言為：Ba2+>Sr2 +>Ca2+>Mg2+。蒙脫石中某些離子交換反應是可逆的，而某些離子交換反應是不可逆的。Ca-蒙脫石的鈉化改性過程中，陽離子交換受其電荷數及其水化能控制，陽離子的水化能越小、電荷數越低，與粘土礦物層間的親合力就越強。無機陽離子與蒙脫石的離子交換反應可分為三個階段，初始階段以表面吸附為主，後期階段以層間離子交換為主，中期階段為過渡階段，介於表面吸附和層間離子交換。
蒙脫石改性一般是蒙脫石鈉化改性，採用向鈣基蒙脫石中加入一定的改性劑Na2CO3，在一定的條件下使陽離子Na+ 置換結構層間的Ca2+、Mg2+,從而實現結構層間離子的轉變改性。
如用[Mont]-X代替蒙脫石化學式（X表示交換陽離子），那麼蒙脫石鈉化改性反應則為：
[Mont]-Ca＋Na+ →[Mont]-Na＋Ca2+
在蒙脫石的鈉化改性過程中，鈉離子交換可自動發生，但與時間和溫度有關。Ca-蒙脫石鈉化改性實驗證明：Na+離子與Ca-蒙脫石的Ca2+離子交換為一級反應，反應的活化能Ea為16.23kJ•mol-1，反應得頻率因子為1.00048，反應初期離子交換速率非常快，後期較慢並與時間成線性關系。蒙脫石的鈉化改性需解決的問題就是加快蒙脫石改性的離子交換速率，並在一定的時間內不可逆。
由於鈉質蒙脫石的性能優於鈣質蒙脫石，所以其用途最廣，用量最大。在醫葯、造紙、橡膠、油漆、塗料和化妝品生產的過程中常使用蒙脫石作為原料。

Ⅳ 納米蒙脫石是什麼

蒙脫石(montmorillonite)在美國葯典、英國葯典及歐洲葯典等葯典中均有收載，無臭，有輕微的土味，無刺激性，對神經、呼吸及心血管系統沒有影響，具有良好的吸附能力、陽離子交換能力和吸水膨脹能力，對大腸桿菌、霍亂弧菌、空腸彎麴菌、金黃色葡萄球菌和輪狀病毒以及膽鹽都有較好的吸附作用，對細菌毒素也有固定作用，止瀉迅速，因此其制劑廣泛應用於臨床。蒙脫石原料葯除用於制劑外還用於葯物合成以及作為輔料用於緩釋制劑。
關鍵詞：蒙脫石；止瀉；腹瀉；吸附；制劑；葯物合成；輔料；
蒙脫石(montmorillonite)是由膨潤土提純加工而得[1]。膨潤土又名斑脫岩（bentonite）,是以蒙脫石為主要礦物成分的粘土礦，其蒙脫石含量為40%-90%，還含有少量高嶺石、水鋁英石、綠泥石、蛋白石、雲母等礦物質，膨潤土的性能與蒙脫石含量有關，含蒙脫石越多，其性能越優越[2]。美國葯典、英國葯典及歐洲葯典收載了斑脫岩[3]。蒙脫石作為葯用原料和輔料在醫葯行業中已應用多年，葯用蒙脫石無臭，有輕微的土味，近白色或微黃色，有蠟樣光澤，無刺激性。用小鼠自主活動儀測定膨潤土對神經系統的影響，二道生理儀測定大鼠的呼吸深度及頻率，鼠尾法測定大鼠血壓，用ELG-8511心電圖儀，採用二道聯測定大鼠心電圖。結果：膨潤土最大耐受量為8g/kg,，相當於人用量的2666倍，毒性很小。統計結果表明膨潤土對神經、呼吸及心血管系統沒有影響[4]。蒙脫石因其特殊的晶體結構而具有良好的吸附能力、陽離子交換能力和吸水膨脹能力。蒙脫石葯理研究表明，它對大腸桿菌、霍亂弧菌、空腸彎麴菌、金黃色葡萄球菌和輪狀病毒以及膽鹽都有較好的吸附作用；對細菌毒素有固定作用；蒙脫石只吸附、固定表面帶有粒編碼蛋白（CS31 A）的致病性帶電病原菌，對表面不帶 CS31 A 的正常菌群無固定清除作用 [5,6]。因此，蒙脫石在醫葯上得到廣泛應用。
1 蒙脫石原料葯
最早在臨床上用於治療腹瀉及消化道潰瘍的是蒙脫石散劑，由法國益普生公司研製並進口到中國，商品名為思密達(Smecta)。對思密達的葯理研究表明，它對大腸桿菌、霍亂弧菌、空腸彎麴菌、金葡菌和輪狀病毒及膽鹽有較好的吸附作用，對細菌毒素有固定作用；研究還表明蒙脫石只吸附固定表面帶有粒編碼蛋白(CS3lA)的致病性帶電病原菌，對表面不帶CS3lA的正常菌群無固定清除作用。蒙脫石在菌液中濃度達5%時，對細菌的吸附率幾乎達100%[7]。此後蒙脫石散劑的仿製葯必奇、肯特令等在中國陸續上市，新劑型蒙脫石分散片於2005年由國家食品葯品監督管理局（以下簡稱SFDA）批准上市，商品名為賽立邁[8]。目前，SFDA已經發布了蒙脫石、蒙脫石散劑國家葯品標准以及蒙脫石分散片國家新葯標准。
蒙脫石原料來自於大自然，對環境沒有污染，對消化道病原菌具有清除作用，是粘膜保護劑，口服蒙脫石不被人體吸收，不進入血液循環，不影響胃腸蠕動，不影響食物的消化吸收，沒有禁忌症，適用於各種人群，特別是兒童。經多年臨床試驗證明，蒙脫石散治療各種原因引起的急、慢性腹瀉總有效率高，止瀉迅速，可以最大限度降低腹瀉對患者胃腸的損害[9]。
蒙脫石散除治療腹瀉外，還用於新生兒繼發性消化道出血，拮抗紅黴素胃腸道反應，治療口腔潰瘍和小兒口炎，治療小兒黴菌性腸炎，治療新生兒母嬰性黃疸，治療咽下綜合症等[10]。
有關腹瀉流行病調查數據顯示，腹瀉在城鎮人口中發病率達到每年0.4次/人，市場容量達到35億元[11]。
賽立邁蒙脫石分散片，每片1克，成人可以直介面服，兒童用水分散後口服，劑量准確，方便，為臨床提供了除蒙脫石散以外的新的選擇。
2 蒙脫石用於葯物合成
蒙脫石可用於純化青黴素醯化酶。青黴素醯化酶是生產半合成β－內醯胺類抗生素的重要工業用酶。按0.6％(w/w)的比例將蒙脫石加到青黴素醯化酶發酵上清液中，可將酶100％吸附，而吸附的蛋白質僅占發酵上清液中的10％左右。吸附時的pH和無機鹽對酶的吸附影響不大。使用不同pH和種類的緩沖液洗滌蒙脫石-酶復合物，不會將酶洗脫，但可洗脫15％左右吸附的雜蛋白[12]。使用含10％以上的PEG和NaCl的磷酸緩沖液可將酶全部洗脫，酶純化25倍，濃縮6倍左右[13]。此方法特點是簡便，酶活力收率高，可在常溫下操作，也可直接從未除菌體的發酵液中提取酶，具有工業應用價值。
將殼聚糖與蒙脫石相結合，制備成一種復合吸附劑，對中葯提取液中鞣酸的脫除取得很好效果。對於高濃度 ( 0 .5 % ) 的鞣酸溶液，脫除率可達到 5 0 %。該吸附劑具有用量少、穩定性高、操作簡單等優點[14]。
以酸活化蒙脫石可催化以水楊酸和乙酸酐為原料合成阿司匹林，收率可達90.44%。結果表明酸活化蒙脫石對阿司匹林的合成具有良好的催化活性[15]。
取鹽酸小檗鹼1g，溶於50mL甲醇，加50mL水，攪勻，加蒙脫石及酸性石膏粉9.14g，不斷攪拌，至上層溶液無色為止，抽濾沉澱，水洗沉澱並抽干，可配製成無味鹽酸小檗鹼，矯正鹽酸小檗鹼苦味[16]。
蒙脫石用於精製甘草浸膏，用5% -7%的蒙脫石加於甘草流浸膏中，調節pH=9.3，將混合物加熱到95℃ ，保持45 min，過濾，製成的甘草浸膏其中甘草酸的含量比未經蒙脫石處理者約增高10％，且幾乎無沉澱[17]。
3 蒙脫石作為葯用輔料
蒙脫石由於具有吸水性、懸浮性、分散性、粘結性、觸變性，可具有乳化、增稠、助懸、吸附的性能，是理想的葯用輔料，廣泛用於各種劑型。
用甲紫1.2g，白凡士林10g，液體石蠟6g，十八醇9g，十二烷基硫酸鈉1g，甘油5g，蒙脫石水分散液80mL(尼泊金乙酯0.5g)，可製得穩定性好、易於塗布、易洗脫、無刺激性、無毒性的甲紫乳膏[18]。
5份Magne2siumacexamate及95份蒙脫石可製得治療濃硫酸灼傷的糊劑。
蒙脫石70-85份，表面活性劑1-5份，消毒劑0.2-1份，研磨料12-25份，可製得醫院及家庭使用的消毒用糊劑[19]。
甲紫0.25%-3%，PVP7%-14%，蒙脫石22%-27%，再加入適量溶媒或分散劑製成的甲紫乳劑混懸劑，用時皮膚不著色，易洗脫[20]。
1%蒙脫石作為硫糖鋁助懸劑，效果優於CMC-Na，再分散性好，沉降慢，絮凝顆粒細膩；2%蒙脫石作爐甘石洗劑的助懸劑，其沉降容積比，微粒布朗運動，重分散力，結塊情況，微粒大小等指標優於同濃度的CMC-Na、海藻酸鈉[21]。
蒙脫石3.0g，CMC-Na 1.7g，吐溫-80及甘油各適量，製得600cm2口膜。此蒙脫石膜可與潰瘍面緊密接觸，且葯膜5分鍾左右溶化[22]。
蒙脫石可用於控釋茶鹼片的制備，將茶鹼、微晶纖維素、蒙脫石、CaCO3、PVP混合後壓片，然後用乙基纖維素包衣，可製得包衣控釋茶鹼片[23]。
蒙脫石與微晶纖維素和玉米澱粉等作崩解劑製成的甲狀腺素速崩片和咀嚼片，特別易於病人吞咽，在數秒鍾內就可迅速崩解為精細的顆粒，非常適宜人體消化道對甲狀腺素的吸收[24]。 ........................................
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Ⅵ 蒙脫石在飼料中有何作用

蒙脫石對家禽家畜有增加食慾、助消化、調節機體平衡、增加免疫機能、防病保健等作用。
（1）補充礦物質和必需元素
動物實驗等研究證實蒙脫石含有畜禽等多種動物生長發育所必需的多種具有生物學功能的常量元素和微量元素，除Si、Al外，還含有Fe、Zn、Cu、K、Na、Ca、Mg、P、I、Se等多種常量元素和微量元素及生物活性物質，這些元素可補充動物營養所需的物質，也是生物酶、激素等生物活性物質的組分，能使生物酶、激素的活性或免疫反應發生明顯變化，還是以可交換性離子和可溶性鹽的形式存在，易被動物吸收利用。
（2）脫霉脫毒護腸
根據蒙脫石的陽離子交換能力及非均勻性電荷分布的電負性，在蒙脫石晶體層間可形成具有極性的水合薄膜，而病毒、病菌也具有很好極性，兩者之間通過H-O-H范德華力而非化學鍵結合，將消化道內的病毒、病菌及其產生的毒素吸入礦物層間，有極強的固定和抑製作用，被吸附後的真菌毒素和細菌毒素隨糞便排出體外，減少了腸道對這些毒素的吸收，從而避免對動物的侵害。
消化道內大量的分散液使蒙脫石形成凝膠，從而增強覆蓋能力和保護作用。並通過與粘液糖蛋白相互結合，從質和量兩方面修復、提高粘膜屏障對攻擊因子的防禦功能。因此對於腹瀉、痢疾等各種消化道炎症有良好療效。
（3）飼料改良劑
由於特有的吸水膨脹性、高分散性、懸浮性、觸變性、潤滑性和吸附性等，蒙脫石一是能夠提高飼料的適口性和改進飼料的鬆散性，延緩飼料通過消化道的速度，增加營養物質本身反應的表面積，也增加了營養物質與消化道粘膜接觸的表面積，使營養物吸收得更充分，從而提高飼料利用率。二是可降低家禽糞便中的水分，保持欄內乾燥，減少發病率。

Ⅶ 測定膨潤土（蒙脫石）陽離子交換容量CEC有什麼意義

膨潤土（蒙脫石）晶層中的陽離子具有可交換性能，在一定的物理—化學條件下，不僅Ca2+、Mg2+、Na+、K+等可相互交換，而且H+、多核金屬陽離子（如羥基鋁十三聚體）、有機陽離子（如二甲基雙十八烷基氯化銨）也可交換晶層間的陽離子。陽離子交換性是膨潤土（蒙脫石）的重要工藝特性，利用這一特性，可進行膨潤土的改型，由鈣基膨潤土改型為鈉基膨潤土、活性白土、鋰基膨潤土、有機膨潤土、柱撐蒙脫石等產品。 陽離子交換容量（Cation Exchange Capacity）是指PH值為7的條件下所吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 等陽離子總量，簡稱為CEC。膨潤土礦陽離子交換容量和交換性陽離子是判斷膨潤土礦質量和劃分膨潤土礦屬型的主要依據， CEC值愈大表示其帶負電量愈大，其水化、膨脹和分散能力愈強；反之，其水化、膨脹和分散能力愈差。如北票市膨潤土陽離子交換容量CEC 為66.7mmol/100g，阜新市的膨潤土陽離子交換容量CEC 為85.55 mmol/100g，內蒙古優質膨潤土陽離子交換容量CEC為115—139 mmol/100g。
研究表明，蒙脫土的片層中間的CEC通常在60-120mmol/100G范圍內，這是一個比較適合與聚合物插層形成納米復合材料的離子交換容量。因為如果無機物的離子交換容量太高，極高的層間庫侖力使得無機物片層間作用力過大，不利於大分子鏈的插入；如果無機物的離子交換容量太低，無機物不能有效地與聚合物相互作用，不足以保證無機物與聚合物基體的相容性，同樣不能得到插層納米復合物材料。適宜的離子交換容量、優良的力學性能使得蒙脫土成為制備PLS納米復合材料的首選礦物。CEC值和膨潤土（蒙脫石）的內表面積與蒙脫石含量呈正相關關系，用陽離子交換容量CEC 為100mmol/100g的膨潤土和 用陽離子交換容量CEC 為61mmol/100g的膨潤土製備插層納米復合物材料，盡管層間距相差不大(d001=1.98和1.91nm)，但比表面(421.5和127.2m2。g-1)和吸氨量(318.3和80.7mg。g-1)卻有較大的差別. 與原料土的比表面(76.0和90.5m2。g-1)及吸氨量(49.2和62.1mg。g-1)相比，分別增加5.5和1.4倍及6.5和1.3倍，比表面和吸氨量的增加倍數有一定的對應關系. 這說明層電荷密度主要影響材料的表面性質. 由於層間距(d001)的變化主要取決於交聯劑的大小, 因而不同層電荷密度對於採用同種的交聯劑制備材料的層間距影響不大。
測定CEC的方法很多，如定氮蒸鎦法、醋酸銨法、氯化銨-醋酸鈉法、氯化銨-無水乙醇法、氯化銨-氨水法、氯化鋇-硫酸法等。目前，膨潤土CEC測定是依據國標JC/T 593—1995（膨潤土試驗方法）。具體方法如下：
（1）方法提要
用含指示陽離子NH4+的提取劑處理膨潤土礦試樣，將試樣中可交換性陽離子全部置換進入提取液中，並使試樣飽和吸附指示陽離子轉化成銨基上。將銨基土和提取液分離，測定提取液中的鉀、鈉、鈣及鎂等離子，則為相應的交換性陽離子量。
（2）主要試劑和材料
a. 離心機：測量范圍為0～400r/min；
b. 磁力攪拌器：測量范圍為50～2 400r/min』
c. 鉀、鈉、鈣、鎂混合標准溶液〔c(0.01Na+、0.005Ca2+、0.005Mg2+、0.002K+)〕稱取0.5004g碳酸鈣(基準試劑)，0.201 5g氧化鎂(基準試劑)，0.5844g氯化鈉(高純試劑)和0.1491g氯化鉀(高純試劑)於250mL燒杯中，加水後以少量稀鹽酸使之溶解(小心防止跳濺)。加熱煮沸趕盡二氧化碳，冷卻。將溶液移入1 000mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，移於乾燥塑料瓶中保存；
d. 交換液：稱取28.6g氯化銨置於250mL水中，加入600mL無水乙醇，搖勻，用1+1氨水調節pH為8.2，用水稀釋至1L，即為0.5mol/L氯化銨-60%乙醇溶液。
e. EDTA標准溶液〔c(0.01EDTA)〕：取3.72g乙二胺四乙酸二鈉，溶解於1 000mL水中。
標定：吸取10mL0.01mol/L氯化鈣(基準試劑)標准溶液於100mL燒杯中，用水稀釋至40～50mL左右。加入5mL4mol/L氫氧化鈉溶液，使pH≈12～13，加少許酸性鉻藍K-萘酚綠B混合指示劑，用EDTA溶液滴至純藍色為終點。
c1= c2·V3/ V4
式中：
c1——EDTA標准溶液的實際濃度，mol/L；
c2——氯化鈣標准溶液的濃度，mol/L；
V3——氯化鈣標准溶液的體積，mL；
V4——滴定時消耗EDTA標准溶液的體積，mL。
f. 洗滌液：50%乙醇，95%乙醇。
（3）試驗步驟
稱取在115～110℃下烘乾的試樣1.000g，置於100mL離心管中。加入20mL50%乙醇，在磁力攪拌器上攪拌3～5min取下，離心(轉速為300r/min左右)，棄去管內清液，再在離心管內加入50mL交換液，在磁力攪拌器上攪拌30min後取下，離心，清液收集到100mL容量瓶中。將殘渣和離心管內壁用95%乙醇洗滌(約20mL)，經攪拌離心後，清液合並於上述100mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，待測。殘渣棄去。
交換性鈣、鎂的測定，取上述母液25mL，置於150mL燒杯中，加水稀釋至約50mL，加1mL1+1三乙醇胺和3～4mL4mol/L氫氧化鈉，再加少許酸性鉻藍K-萘酚綠B混合指示劑，用0.01mol/LEDTA標准溶液滴定至純藍色，記下讀數V5，然手用1+1鹽酸中和pH為7，再加氨水-氯化銨緩沖溶液(pH=10)，再用0.01mol/LEDTA標准溶液滴至純藍色記下讀數V6。
交換性鉀、鈉的測定：取25mL母液於100mL燒杯中，加入2～3滴1+1鹽酸，低溫蒸干。加入1mL1+1鹽酸及15～20mL水，微熱溶解可溶性鹽，冷卻後溶液移入100mL容量瓶中，以水稀釋至刻度、搖勻，在火焰光度計上測定鉀、鈉。標准曲線的繪制：分取0、3、6、9、12、15mL鉀、鈉、鈣、鎂混合標准溶液於100mL容量瓶中，加入2mL1+1鹽酸，用水稀釋至刻度、搖勻。在與試樣同一條件下測量鉀、鈉的讀數，並繪制標准曲線(此標准系列分別相當於每100g樣中含有0、170、345、520、690、860mg的交換性鈉和0、60、120、175、240、295mg的交換性鉀。
（4）結果計算
鈣、鎂的含量按下式計算：
交換性鈣g/100g= （40c5V5）/（2.5m3）
交換性鎂g/100g=[ 24c5(V6-V5)]/ （2.5m3）
式中：
c5—EDTA標准溶液的實際摩爾濃度mol/L；
V6、V5—滴定時耗用EDTA標准溶液的毫升數，mL；
m3——試樣質量，g。
鉀、鈉的含量按(10)式計算：
交換性鉀(g/100g)= Kmg /（2.5m3）
交換性鈉(g/100g)= Namg/（2.5m3）
式中：
Kmg，Namg—由標准曲線上查得的鉀鈉的毫克數；
m3——試樣質量，g。

Ⅷ 蒙脫石/膨潤土的膨脹容、膠質價和陽離子交換容量有關系嗎它們之間有什麼聯系

陽離子交換容量：在一定pH值(=7)時,每千克土中所含有的全部交換性陽離子(K+、Na+、Ca2+、
Mg2+、NH4+、H+、Al3+等)的厘摩爾數(potential CEC).
膠質價：膨潤土與水按比例混合後，加適量氧化鎂，使其凝聚形成的凝膠體的體積，稱為膠質價。 以15克樣形成的凝膠體積的毫升數表示。膠質價顯示試樣顆粒分散與水化程度，是分散 性、親水性和膨脹性的綜合表現，它的大小與膨潤土礦的屬型和蒙脫石含量密切相關，鈉 基比鈣基、酸性膨潤土的膠質價高，同一屬型的膨潤土，含蒙脫石愈多，膠質價愈高。所 以，膠質價是鑒定膨潤土礦石屬型和估價膨潤土質量的技術指標之一。
膨脹容：膨潤土的膨脹性能以膨脹容表示，膨潤土在稀鹽酸溶液中膨脹後的容積稱為膨脹容，以毫 升/克樣表示。鈉基膨潤土比鈣基、酸性膨潤土的膨脹容高；同一屬型的膨潤土，含蒙脫石 愈多，膨脹容愈高。膨脹容是鑒定膨潤土礦石屬型和估價膨潤土質量的技術指標之一
聯系：CEC中K+ Na+含量高----膠質價 膨脹容就高。反之就低。

Ⅸ 任務掌握硅酸鹽類礦物的鑒定

一、島狀及環狀硅酸鹽亞類礦物的鑒定

1.鑒定要求

1)掌握橄欖石、石榴子石、紅柱石、藍晶石、十字石、黃玉、綠簾石、榍石、符山石、綠柱石、電氣石等礦物的主要鑒定特徵，對鋯石、堇青石等作一般了解；

2)掌握相似礦物的區別方法；

3)學會描述礦物。

2.鑒定內容

(1)礦物標本

橄欖石、石榴子石、紅柱石、藍晶石、

十字石、黃玉、綠簾石、榍石、

符山石、綠柱石、電氣石

(2)實習操作

觀察和描述上述礦物的形態特徵、物理性質等手標本鑒定特徵，並了解它們的成因和用途。

3.思考

1)橄欖石的鑒定特徵是什麼? 其成分中 Mg—Fe之間是什麼關系? 隨著含Fe量增多，其顏色、光澤、硬度、密度發生了什麼變化? 橄欖石的成因特點以及它經熱液蝕變最容易變成什麼礦物?

2)石榴子石族礦物的鑒定特徵是什麼? 它和一些褐色、硬度大、解理不好的礦物(如錫石、鋯石、十字石等)如何區別?

3)對比藍晶石、紅柱石這兩種礦物的異同 (形態上、物性上)成因上各有何特點?

4)綠柱石、黃玉、電氣石、十字石的晶形和斷面有何特點?

4.提示

硅酸鹽礦物肉眼鑒定時，主要從晶形及解理、顏色等方面著手，注意相似礦物的彼此對比區別。如綠柱石與黃玉、淺色電氣石的主要區別。

二、鏈狀硅酸鹽亞類礦物的鑒定

1.鑒定要求

1)掌握輝石族和角閃石族礦物的形態特徵，物性特點與它們的成分和結構的關系;

2)掌握普通輝石、透輝石、硅灰石、普通角閃石、透閃石，陽起石等礦物的主要鑒定特徵;

3)掌握輝石族和角閃石族礦物的區別方法。

2.鑒定內容

(1)礦物標本

普通輝石、透輝石、硅灰石、

薔薇輝石、普通角閃石、透閃石、

陽起石、角閃石石棉、矽線石

(2)實習操作

顯微鏡下觀察輝石、角閃石的斷面形狀及解理夾角；對比角閃石族礦物和輝石族礦物的特點。

3.思考

1)輝石族礦物在形態和物性上有何共同特點? 普通輝石和透輝石如何區別?

2)角閃石族礦物在形態和物性上有何共同特點? 普通角閃石和透閃石、陽起石如何區別?

3)普通輝石與普通角閃石，透輝石與透閃石如何區別?

4)輝石族及角閃石族的解理平行什麼方向? 在什麼切面上能見到兩組解理? 什麼方向只能見到一組解理?

5)角閃石石棉的用途。

礦物鑒定

4.提示

1)鏈狀硅酸鹽礦物鑒定思路是:首先根據形態、解理、成因等特點劃分出是輝石族還是角閃石族，然後再依據顏色、形態、成因劃分礦物種。

2)輝石族和角閃石族是鏈狀硅酸鹽中最重要的礦物族，也是重要的造岩礦物。它們在自然界分布很廣，在野外工作中識別它們，對確定岩石類型和岩石名稱起重要作用。因此，通過對比，掌握它們的共同點及不同點很重要。

三、層狀硅酸鹽亞類礦物的鑒定

1.鑒定要求

1)重點掌握滑石、葉蠟石、蛇紋石、雲母族、高嶺石、綠泥石等礦物的鑒定特點;

2)掌握相似礦物的區別。

2.鑒定內容

(1)礦物標本

滑石、葉蠟石、蛇紋石及蛇紋石石棉 (溫石棉)、白雲母、黑雲母、蒙脫石、高嶺石、蛭石、綠泥石

(2)實習操作

觀察和描述上述礦物的形態特徵、物理性質等手標本鑒定特徵，注意對比滑石與葉蠟石、白雲母與黑雲母的區別。

3.思考

1)滑石、葉蠟石、蛇紋石的主要鑒定特徵是什麼? 它們的生成與富含什麼元素的岩石和礦物有關?

2)蒙脫石和高嶺石的形態、物性和產狀有何特點? 這些礦物用什麼方法才能精確鑒定? 它們的用途如何?

3)蛭石和黑雲母如何區別? 雲母族礦物的實際用途是什麼? 蛭石在工業上有何意義?

4)小結層狀硅酸鹽礦物 (與其他亞類比較有何特點?)。

4.提示

(1)常見黏土礦物 (高嶺石、蒙脫石、埃洛石、水白雲母等)的共同點和區別點

黏土 (或稱黏土岩)中的礦物均由極其細小 (<0.01mm)的細分散質點構成，而它們彼此間的差別就是在普通顯微鏡下也無法鑒別，故人們通常統稱為黏土礦物。近年來，人們採用了X射線衍射分析、差熱分析、紅外吸收光譜分析、染色試驗以及電子顯微鏡等方法才對其礦物成分有了較為深入的了解。發現黏土岩中分布最廣、含量較多的主要是水白雲母 (伊利石)、高嶺石、蒙脫石三種。現將主要黏土礦物的物、化性質及鑒定特徵列表對比 (表7-2-1)，以供參考。

表7-2-1 主要黏土礦物類型對比表

續表

(2)Mg²⁺檢出方法

用滑石或蛇紋石在清潔的條痕板上劃一條痕，滴一滴鎂試劑。若出現藍色，則證明它們主要為含鎂的礦物。

四、架狀硅酸鹽亞類礦物的鑒定

1.鑒定要求

1)掌握長石族礦物的特點，重點學會區別正長石和斜長石。

2)對霞石、白榴石、沸石族礦物等作一般了解。

2.鑒定內容

(1)礦物標本

正長石、微斜長石、透長石、

天河石、條紋長石、斜長石、

霞石、白榴石、沸石

(2)實習操作

觀察和描述上述礦物的形態及物性特徵；著重注意形態、顏色、解理、雙晶、硬度等物性方面對比區別。做鉀長石和斜長石的染色反應 (若課堂時間不夠，可只做鉀長石染色)。

3.思考

1)正長石有哪些鑒定特徵? 正長石晶體的哪些方向可見到卡爾斯巴雙晶?

2)微斜長石具有什麼鑒定特點?

3)正長石亞族礦物的成因及其用途是什麼? 正長石最容易變化成什麼礦物?

4)斜長石亞族礦物的鑒定特徵是什麼? 從哪幾個方面可和正長石亞族的礦物相區分?斜長石最易轉變成什麼礦物?

5)何謂條紋長石?

4.提示

1)長石與石英是自然界最常見的礦物，而且在岩石中常共生在一起。因此，應學會憑肉眼區別它們。長石具兩組完全解理，而石英解理不發育；長石表面易風化，硬度降低，而石英則不易風化，表面干凈，硬度大。但是，肉眼鑒別斜長石和正長石是比較困難的，然而根據它們的晶形、雙晶、顏色、解理和共生礦物等，也可初步鑒定。最後確定礦物種需藉助於顯微鏡觀察。

(2)鉀長石及斜長石的染色法介紹

用葯品使礦物表面染上顏色的過程有兩種:一種是使葯品與礦物表面發生化學反應，而形成有色反應物附著於礦物上；另一種是葯劑被礦物表面吸附著而使礦物著色。

鉀長石和斜長石的染色鑒別法 (可採用花崗岩標本)操作如下:

首先，在礦物顆粒表面或磨光面上塗以氫氟酸，片刻後 (十幾秒至數十秒鍾後)以水沖洗干凈；

然後，用亞硝酸鈷鈉溶液塗在表面上，一分鍾後，再以水洗凈。鉀長石被染成明顯的黃色 (干後，顏色更清楚，長期保存其色不變)；斜長石則仍為灰白色，石英也無變化。

如果進一步做斜長石染色，則可用上述已染過色的斜長石標本，以水沖洗表面，然後，滴以1%的BaCl2溶液，再滴數滴蒸餾水或用其他軟水沖洗其表面1～2次，再滴上玫瑰紅酸鈉溶液，等1～2分鍾後，斜長石即被染成紅色。但此時，鉀長石則仍然不變 (斜長石被染的紅色不能持久不變)。

礦物鑒定

該染色鑒別的原理是，經氫氟酸腐蝕活化後，鉀長石中的鉀與亞硝酸鈷鈉反應形成黃色的亞硝酸鈷鈉鉀沉澱。其他含鉀礦物亦有此反應 (如黑雲母染色後變為綠色)，因為斜長石中一般含K很微量，所以基本不染色。

斜長石中的鈣能被BaCl₂中的鋇置換，使斜長石表面含有鋇，而鋇又與玫瑰紅酸鈉反應形成紅色的玫瑰紅酸鋇。斜長石中的鈉端員礦物 (鈉長石)則不染色，但只要斜長石中含有3%以上的鈣長石分子，一般都能染上紅色。所以，此染色對斜長石仍然是普遍有效的。

學習指導

硅酸鹽礦物種類多，成分結構復雜，性質變化大，在學習時從以下方面來把握。

(1)組成硅酸鹽礦物主要有哪些陽離子，鋁和水在硅酸鹽礦物中的分布和作用。這些化學成分對礦物的結構、性質有何影響。

(2)五種硅氧骨幹形式一定要弄清，包括硅、氧連接方式，骨幹形式，配陰離子化學式，陽離子的分布位置，硅氧骨幹形式對礦物形態、性質的影響等。

(3)礦物的亞類、族、亞族、種的劃分。

(4)相似礦物的區分。

(5)各種硅酸鹽作為重要非金屬礦產的用途。

練習與思考

1.名詞解釋

硅氧骨幹 斜長石亞族 溫石棉 月光石

2.選擇題

(1)橫切面具球面三角形的礦物是 ()

A.電氣石

B.綠柱石

C.紅柱石

(2)以下礦物中，()單晶體形態不可能長成柱狀。

A.十字石

B.角閃石

C.石榴子石

(3)一礦物的化學式為 (Mg，Fe)₂[SiO₄]，那麼它是 ()結構硅酸鹽礦物。

A.島狀

B.環狀

C.鏈狀

(4)晶面具金剛光澤的礦物是 ()

A.黃玉

B.榍石

C.正長石

(5)手撫之無滑膩感的礦物為 ()

A.滑石

B.葉蠟石

C.綠泥石

(6)()具兩組完全解理。

A.硅灰石

B.透長石

C.十字石

(7)一斜長石An=58，那麼它是 ()。

A.拉長石

B.培長石

C.鈣長石

(8)斷口不呈油脂光澤的礦物為 ()。

A.霞石

B.普通角閃石

C.石榴子石

(9)具貝殼狀斷口的礦物是 ()。

A.紅柱石

B.藍晶石

C.橄欖石

(10)以下礦物中，屬架狀結構硅酸鹽亞類的是 ()。

A.綠簾石

B.微斜長石

C.蛇紋石

3.判斷題

(1)島狀結構硅酸鹽亞類礦物晶體形態均呈粒狀。()

(2)鏈狀結構硅酸鹽亞類礦物的解理方向是平行柱的方向。()

(3)在硅酸鹽中架狀結構硅酸鹽亞類礦物密度最小，是因為結構中空隙多。()

(4)正長石易絹雲母化，斜長石易高嶺土化。()

(5)微斜長石與天河石的區別主要是顏色不同，其他物理性質均相同。()

(6)在岩石中霞石可以和石英同時出現。()

(7)硅酸鹽礦物一般為非金屬光澤，主要是因為化學鍵性決定的。()

(8)一輝石的分子式為 (Mg，Fe)[Si₂O₆]，其中Fe的含量大於Mg的含量。()

(9)透長石是一種低溫相的鉀長石。()

(10)硅酸鹽類礦物的結晶形態，取決於硅氧骨乾的型式和其他陽離子配位多面體的聯結方式。

4.填空題

(1)硅酸鹽類礦物按硅氧骨幹型式分為五個亞類:______、______、______、______和______亞類。

(2)輝石族礦物分______和______兩個亞族，其中普通輝石屬______亞族礦物。

(3)鹼性長石亞族包括由______和______形成的所有長石。

(4)雲母、綠柱石、黃玉均具一組底面解理，其中具解理極完全的是______，具解理完全的是______，具解理不完全的是______。

(5)不少硅酸鹽礦物是珍貴的寶石礦物，如______、______和______等。

(6)島狀結構硅酸鹽礦物中，呈四方晶系的礦物有______和______等。

(7)高嶺石被應用於陶瓷工業，主要利用的是它的______、______、______、______等性能。

5.簡答題

(1)何謂含氧鹽? 它和氧化物都含氧，有什麼區別?

(2)為什麼硅酸鹽種類特別繁多，性質又相差懸殊? 試從地殼的組成和結構特徵分析。

(3)硅氧四面體為[SiO₄]^4-，為什麼雙四面體是[Si₂O₇]^6-而不是[Si₂O₈]^8-?

(4)為什麼架狀結構硅氧四面體骨幹中必須有Al代替Si才能形成架狀硅酸鹽?

(5)何謂Al在硅酸鹽中的雙重作用? 試從霞石 (Na[AlSiO₄])、黃玉 (Al₂[SiO₄]F₂)、白雲母 (KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂)的晶體化學式分析Al在其中起什麼作用，判斷礦物屬何亞類?

(6)島狀結構硅酸鹽礦物晶格中有哪幾類硅氧骨幹? 寫出其晶體化學式。

(7)石榴子石按其成分分為哪兩系? 其成分和成因各有何特點? 主要礦物種有什麼?

(8)鋯石結晶形態具有什麼標型意義?

(9)為什麼橄欖石只能形成於SiO₂不飽和的岩石中?

(10)簡述輝石族和角閃石族礦物在成分、結構和性質上有何共同和不同之處。

(11)何謂2∶1型單元層和1∶1型單元層? 試舉兩種具有上述結構的礦物，畫出結構示意圖。

(12)蒙脫石族礦物為什麼具有陽離子交換能力和晶格可膨脹性?

(13)何謂黏土礦物，它們有哪些特殊的性質?

(14)為什麼在硅酸鹽中架狀結構硅酸鹽礦物的密度最小，但硬度較大?

(15)沸石族礦物在結構和性質上有何特殊之處?

(16)輝石族礦物的端元礦物有哪些? 長石族礦物的端元礦物有哪些?

(17)一斜長石的An=57，其中鈉長石分子佔百分之多少? 鈣長石分子佔百分之多少?

(18)為什麼滑石、葉蠟石具撓性而雲母族礦物具彈性?

Ⅹ 蒙脫石的理化性質

蒙脫石(Montmorillonite)是由顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構成的層狀礦物，名稱來源於首先發現的產地－－法國的Montmorillon。蒙脫石亞族屬於蒙皂石族(smectite)礦物之一(另一亞族是皂石saponite), 是重要的黏土礦物，一般為塊狀或土狀。分子式(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O, 中間為鋁氧八面體，上下為硅氧四面體所組成的三層片狀結構的黏土礦物，在晶體構造層間含水及一些交換陽離子，有較高的離子交換容量，具有較高的吸水膨脹能力。蒙脫石晶體屬單斜晶系的含水層狀結構硅酸鹽礦物。
蒙脫石顆粒細小，約0.2～1微米，具膠體分散特性，通常都呈塊狀或土狀集合體產出。蒙脫石在電子顯微鏡下可見到片狀的晶體，顏色或白灰，或淺藍或淺紅色。當溫度達到100～200℃時，蒙脫石中的水分子會逐漸跑掉。失水後的蒙脫石還可以重新吸收水分子或其他極性分子。當它們吸收水分後還可以膨脹並超過原體積的幾倍。蒙脫石的用途多種多樣，人們將它的特性運用到化學反應中以產生吸附作用和凈化作用。它還可以作為造紙、橡膠、化妝品的填充劑，石油脫色和石油裂化催化劑的原料等，還可作為地質鑽探用泥漿，冶金用粘合劑及醫葯等等方面（主要製造蒙脫石散）。
蒙脫石的水含量因環境濕度而變化極大，其成分一般為（Na,Ca）0.33（Al,Mg）2（Si4O10）（OH）2·nH2O。單斜晶系，晶體片狀或絮狀、毛氈狀。薄片中為負突起。平行消光，正延性。二軸負晶。是鹼性介質中形成的外生礦物，火山灰及凝灰岩的風化分解產物，是構成斑脫岩、膨潤土和漂白土的主要成分。通常為土狀塊體。白色，有時微帶紅色或綠色。光澤暗淡。硬度1。密度約為2。吸水性很強。吸水後其體積膨脹而增大幾倍至十幾倍，具很強的吸附力和陽離子交換性能。因含有此種礦物的黏土是一種高造漿率的優質配漿黏土，常用作石油工業鑽井液的降失水劑和增黏劑，也用於煉油、紡織、橡膠、陶瓷等工業。
Ex（H2O）4{（Al2-x,Mgx）2[（Si,Al）4O10]（OH）2}又稱微晶高嶺石。上式中E為層間可交換陽離子，主要為Na+、Ca2+，其次有K+、Li+等。x為E作為一價陽離子時單位化學式的層電荷數，一般在0.2～0.6之間。根據層間主要陽離子的種類，分為鈉蒙脫石、鈣蒙脫石等成分變種。在晶體化學式中，H2O（結晶水或層間水等）一般都寫在式子的最後面，但在蒙脫石中，H2O寫在前面，表示H2O與可交換陽離子一起充填在層間域里。E與H2O以微弱的氫鍵相聯形成水化狀態，若E為一價離子，離子勢小，形成一層連續的水分子層；若E為二價陽離子，形成二層連續水分子。這表明水分子進入層間與層格架（單元層）沒有直接關系。水的含量與環境的濕度和溫度有關，可多達四層。