蒙脱石矿物为什么有阳离子交换能力

Ⅰ 储层损害及类型

1. 储层损害

储层损害是指在油气井完井和生产阶段，造成减少油气层产能或降低注气、注液效果的各种阻碍。

根据多孔介质中流体渗流理论，油气从油气层流向井底，进而形成产能，其流动规律遵从达西定律。在控制油气井产能的众多因素中，储层渗透率属于储层自身物性。当储层受到损害时，宏观上表现为储层渗透率下降。因此，保护油气层的核心问题就是保护储层的渗透率。

油气藏多孔介质中的流体向产油气井作径向渗流的过程如图3-70所示。如果将流体视为不可压缩，且保持稳定流状态，油气井产能计算公式为：

油气田开发地质学

式中：Q——流体流量 （油井产量），cm³/s；K——油层岩石渗透率，μm²；h——油层厚度，cm；μ——流体粘度，mPa·s；p_e——供油区外边界压力，MPa；p_w——井底压力，MPa；r_e——供油区外边界半径，cm；r_w——油井半径，cm。

图3-70 流体径向流入井筒模型

当油气层受到损害后，在近井筒附近形成一个低渗透的损害带 （图3-71），流体要经过两个渗透区才能流入井筒。根据达西公式可知：油井产量＝损害带油量＝未损害带油量，即：

油气田开发地质学

图3-71 井眼周围损害带示意图

式中：K_d——损害带渗透率，μm²；K_e——未损害带渗透率，μm²；r_d——损害带半径，cm；p_d——半径为r_d处的压力，MPa； ——油气层平均渗透率 （或称总视渗透率），μm²。

而p_e-p_w＝（p_e-p_d）＋（p_d-p_w），因此有：

油气田开发地质学

可见，决定油气井产能的平均渗透率 和K_d有关。产层未受损害时，K_d＝K_e＝ 地层流体不能流入井筒，油气井产能丧失。因此，对于某一油气井，其地层条件 （r_e，h，μ）、油气井条件 （r_w） 及生产方式 （p_e-p_w） 确定后，导致产量下降的主要因素是地层渗透率下降。因此渗透率是评价油气层损害的一项重要指标。

2. 储层损害类型

从钻头钻开油气层起，在整个开发过程中，油气层相继受到钻井、注水泥、射孔、防砂、酸化、压裂、注水、三次采油等工程处理。这些油气井工程作业都要接触各种工作液，都会不同程度地破坏油气层原有的物理一化学平衡状态。因此，几乎每一个生产工序都可能给油气层带来损害。关于油气层损害分类. 很多学者从不同角度提出了不同的分类方法。P. B. Basan （1985） 在用地层损害指数评价泥质砂岩流体敏感性的研究中，将油气层损害归纳为表3-9中的10种类型；而Charles H. Hewitt （1988） 在研究水敏性储层时，对油气层损害问题分类的方法如表3-10所示。

L .Alegne （1990） 等在研制诊断地层损害问题的专家系统时，对损害问题的分类以油气层损害原因和根源为依据，用模拟专家分析的方法查找地层损害的原因。O. G.Kersey（1999） 在论述岩石学分析在非损害性钻井、完井及增产措施设计中的作用时，着重分析了储层潜在的敏感性，并以此为基础将储层损害分为水敏性、酸敏性、微粒运移、结垢及出砂等几种类型。

表3-9 油气层损害与产生原因分析

表3-10 油气层损害分类

（1） 水敏性损害

水敏性是指岩石与外来水接触后，其中的粘土矿物发生膨胀水化、分散脱落、运移，而导致地层渗透率降低的现象。水敏性损害是各种油层损害类型中最复杂、最主要的一种。产生水敏性损害的原因，一方面是由于膨胀性粘土遇水膨胀，减小了油层的孔隙通道；另一方面是一些非膨胀性粘土遇水产生分散脱落，释放微粒，并且微粒随流体运移而堵塞孔隙通道。最易产生水化膨胀的粘土矿物有蒙脱石、伊利石/蒙脱石、绿泥石/蒙脱石混层矿物。这是由于蒙脱石的晶体构造使其具有较大的阳离子交换能力和较高的晶层底面水化能。在钻开油层之前，粘土矿物与地层水达到膨胀平衡状态。打开油层后，外来流体随之进入油层。当进入油层的流体的化学成分和矿化度与其不配伍时，岩石中的膨胀性粘土便能在其外表面或单元晶层间吸附大量水分子，使体积发生膨胀。而且，粘土分子结构内吸附的水量受可交换阳离子数的控制。因此，不同种类的蒙脱石粘土膨胀能力也不同，钠蒙脱石具有最强的膨胀性，可膨胀到原来体积的10倍；钙蒙脱石只具有中等膨胀能力。此外，高岭石、伊利石等非膨胀性粘土，在与阳离子浓度较低或者有反絮凝离子的水接触时，原有的絮凝平衡状态遭到破坏，使粘土颗粒产生分散，从砂粒表面脱落下来，而随流体在油层孔隙内运移。同时，膨胀性粘土遇水膨胀后引起的物理不稳定性也促进了分散和运移的发生。粘土膨胀和分散运移的最终结果都是造成油层渗透率的损害。

（2） 酸敏性损害

酸敏性是指岩石与酸液接触后，发生有害反应生成沉淀或岩石解体产生地层微粒，而引起油层渗透率降低的现象。工程中最常见的酸敏性损害是对盐酸 （HCl） 和氢氟酸（HF） 的敏感性。油层岩石中当有铁质绿泥石和黄铁矿等含铁矿物存在时，将对进入油层的盐酸及高氧流体最敏感。因为这些矿物在溶解于溶液时，释放出的铁离子会生成Fe（OH）₃，凝胶而堵塞油层孔隙喉道。方解石、白云石等含钙的碳酸盐矿物则对氢氟酸最敏感。它们会与氢氟酸发生有害反应，生成不溶解的氟化钙沉淀。另外，其他矿物，如硅酸盐矿物，溶解后释放出硅离子，可与进入油层的低浓度的氢氟酸沉淀出 ［Si （OH）₄·nH₂O］ 水化胶体物质。这些物质都可以减小孔道面积或堵塞喉道而降低岩石渗透率。如果储层岩石胶结物中可酸溶物含量高，酸液对骨架的溶解会造成岩石的非固结状态和颗粒运移而损害油层。

（3） 微粒运移损害

微粒运移是指由于流体流速较高或压差波动较大，使储层中固有的颗粒脱落，随流体发生移动，在孔隙喉道中形成 “桥堵” 或 “帚状” 堆积而阻挡流体流动。在水敏性损害中论述的分散/运移与微粒运移是有差别的。前者产生的机理是一种电化学反应，后者主要是流速对微粒的扰动作用。并且，一般讲，分散/运移只是指那些粘土粒级的颗粒的作用，而微粒运移的 “粒源” 则很广泛，包括所有粒级的矿物及其他组分颗粒。它可以是岩石颗粒，也可以是有机颗粒，如含碳有机物残渣及不能移动的烃类颗粒等。产生 “粒源” 的原因很多，一般来讲，胶结不好的 （弱胶结或未胶结） 地层，或者以粘土为主要胶结物的地层，对于流速引起的微粒运移损害最敏感。另外，疏松地附着于岩石孔隙壁处的各种覆盖物也是重要的 “粒源”。

（4） 结垢损害

油田生产过程中的结垢问题可能发生在各种作业中，而且可能发生在井筒和管线内，也可能发生在地层孔隙内。井筒和管线装备中的结垢问题容易被发现，因此早已引起矿场工程师们的高度重视。然而从保护油气层的角度来说，研究发生在地层内的结垢问题更为重要，处理这种结垢也比处理管内的结垢更为困难。地层结垢泛指在地层孔隙内形成的各种沉淀物，它包括无机垢和有机垢两大类。形成结垢是由于地层岩石和流体的内在原因和外界物理化学因素引起的。无机结垢是很多生产井和注入井主要的损害原因。形成无机垢的原因很多，如果地层岩石中含有石膏、重晶石、水镁石、石灰石、天青石、岩盐及含铁矿物时，会成为引起地层结垢的潜在因素。当油层被打开后，外来液进入油层，改变了地层流体成分，同时地层压力、温度条件改变，使原有的热动力学和化学平衡状态被打破，盐水溶液中一些可溶性物质达到过饱和的程度，从而导致垢片的形成。另外，不配伍流体在进入地层后产生有害混合，也会生成垢物，这种情况在开采过程经常有发生。很多事例表明，在注水、注气 （汽） 及注化学驱油剂时，由于使用不配伍的水质，会产生大量的结垢而损害油气层。在油田作业中常见的无机垢物有碳酸钙、硫酸铁、氧化铁、硫酸钙、硫酸钡、碳酸铁、硫酸锶等。在化学驱油中有时还出现碱垢。有机结垢同样也是由地层内在因素和外界原因引起的。研究表明，原油中的蜡和胶质沥青是有机垢的主要来源。当油层未打开时，蜡和胶质沥青作为原油的组分之一在原油中处于溶解平衡状态，打开油层后，这种平衡状态可能被破坏。由于向地层注入流体等原因使原油温度低于析蜡点时，石蜡就会从原油中沉淀出来。pH值很高的滤液侵入井眼附近区域的油气层会导致沥青从原油中沉淀出来。另外，由于沥青质在原油中是一种胶体的分散体，它以高分子量的多核芳烃聚集在小分子的天然树脂和石蜡烃上。这些球状的聚集体密度约为1.2g/cm3，直径约3.0～6.5nm，并以固有的吸附层而稳定地分散着。酸化作业时，沥青质原油对Fe2＋和Fe3＋非常敏感。生成的铁化物在地层中形成的不溶性的胶体沉淀，既可堵塞地层，又是一种乳化稳定剂，促使沥青胶质堵塞地层。

（5） 水锁损害

水锁一般指由于水进入油层后引起的液体堵塞，它是一种物理原因的损害。一方面，由于外来水的渗入，改变了油气层中的油水分布，含水饱和度增大而含油饱和度降低，必然导致油相渗透率减小，在相同的生产方式下，油井产量下降；另一方面，由于水的渗入，油气层孔道中呈两相共流状态，不连续相则形成液珠在流动过程中将产生阻碍流动的各种毛管力效应。由于油气层孔隙网络的复杂性和不均匀性，这些毛管力效应便成为不可忽视的流动阻力。显然，水锁损害与岩石矿物组成无关，只与两相流体的界面张力有关。因此，无论哪种岩性的油层都存在水锁损害的可能性。

（6） 润湿性改变损害

不同油气层岩石表面具有不同的电性和润湿性，一般可分为亲油岩石和亲水岩石两大类。这里所说的润湿性改变损害是指由于岩石吸附化学剂改变岩石表面润湿性而造成油气层油相渗透率下降的损害。这种类型的损害与岩石成分有关。砂和粘土都是含硅质物质，通常其表面呈负电性，用阴离子型化学剂处理时，不吸附或吸附很少，而阳离子表面活性剂却能牢固地吸附在砂岩表面，使其具有亲油性。石灰岩在pH值为0～8的环境下，大多数表面带正电荷，阴离子表面活性剂常使石灰石或白云石变为亲油表面，而阳离子表面活性剂则可使其成为亲水表面。据一些文献报道，水润湿地层转变为油润湿地层后，可使油相渗透率降低40％。可见，由于岩石润湿性转变给油层带来的损害也是不可忽视的。

（7） 固相颗粒侵入损害

固相颗粒侵入是指入井流体直接将固相颗粒带入地层，堵塞孔隙喉道，进而损害油气层渗透率。固相颗粒包括无机固相颗粒和有机固相颗粒。首先，侵入地层的固相颗粒来自钻井完井施工作业。由于井内液柱压力与地层压力的不平衡，在井眼表面、射孔孔道及裂缝孔隙内形成滤饼，使过滤面堵塞。这种堵塞与液体的滤失性能、固相含量、液柱压差、环空流速、转速，以及施工液与地层接触时间有关。固相颗粒侵入油气层是在滤饼形成之前发生的。在注水开采过程中，如果注入水水质不符合要求，固相悬浮物和细菌随之侵入地层，其损害范围会更大，损害程度也更严重。固相颗粒侵入损害的根源受外界因素的影响，而固相颗粒侵入后使油气层渗透率下降的幅度与岩石的孔隙结构有关，因此固相颗粒侵入损害是所有油藏都会面临的损害问题。

（8） 出砂损害

当油气层岩石属于弱胶结或未胶结型时，在高速采油的情况下，岩石结构的完整性遭到破坏，发生解体，形成松散的砂粒或微粒物质。其中较大的颗粒形成架桥或卡堵而堵塞孔隙。较小的颗粒随油流流向井筒，造成油井出砂，堵塞生产层段，甚至引起地层滑移而挤坏套管，迫使油井停产。另外，在施工作业中，如果工作液使用不当，造成胶结物中粘土矿物分散或者其他矿物的溶解，破坏了岩石的胶结状况，也会导致或加剧油井出砂带来的油气层损害。

从上述损害类型可以看出，几乎所有的储层损害都是一系列物理、化学过程的结果。一些损害是由于储层岩石的特殊矿物性质和结构特征所造成的，属于储层潜在的损害因素，也称为储层敏感性。通常把那些极易带来损害的矿物称为敏感性矿物。另一些损害则是由于特殊的工艺条件造成的，属于工程因素。

Ⅱ 离子交替吸附作用

离子交替吸附作用主要发生在具有固定电荷的固体矿物表面，无论是阳离子还是阴离子，均可发生交替吸附作用，但目前研究得较多的是阳离子交替吸附作用。离子交替吸附作用的一个重要特点就是，伴随着一定量的一种离子的吸附，必然有等当量的另一种同号离子的解吸（图2-5-4）。离子交替吸附作用之所以具有这样的特点，主要是由于吸附剂通常都具有一定的离子交换容量，因此这里首先对离子交换容量予以讨论。

图2-5-3 有机质表面的负电荷

图2-5-4 阳离子交替吸附作用图解

2.5.2.1 离子交换容量

离子交换容量包括阳离子交换容量（CEC—Cation Exchange Capacity）和阴离子交换容量（AEC—Anion Exchange Capacity），我们主要讨论阳离子交换容量，它被定义为每100 g干吸附剂可吸附阳离子的毫克当量数。例如，在蒙脱石的结晶格架中，铝八面体中的三价铝可被二价镁所置换，根据测定，每摩尔蒙脱石中镁的含量为0.67 mol，即蒙脱石的分子式为：Si₈Al_3.33Mg_0.67O₂₀（OH）₄。已知蒙脱石的分子量是734 g，因此这种蒙脱石的阳离子交换容量为：

水文地球化学

在实际中，通常都是通过实验来测定吸附剂的阳离子交换容量。尤其是对于野外所采取的土样或岩样，由于其中含有多种吸附剂，实验测定往往是唯一可行的方法。阳离子交换容量的实验测定在多数情况下都是用pH为7的醋酸铵溶液与一定量固体样品混合，使其全部吸附格位被所饱和，然后用其他溶液（例如NaCl溶液）把被吸附的全部交换出来，达到交换平衡后，测定溶液中Na⁺的减少量，据此便可计算样品的阳离子交换容量。表252列出了一些粘土矿物及土壤的阳离子交换容量，由表可见，与土壤相比，矿物的阳离子交换容量有更大的变化范围。

松散沉积物的阳离子交换容量受到了多种因素的影响，主要有：

（1）沉积物中吸附剂的种类与数量。例如，我国北方土壤中的粘土矿物以蒙脱石和伊利石为主，因此其CEC值较大，一般在20 meq/100 g以上，高者达50 meq/100 g以上；而南方的红壤，由于其有机胶体含量少，同时所含的粘土矿物多为高岭石及铁、铝的氢氧化物，故CEC较小，一般小于20 meq/100 g。

表2-5-2 一些粘土矿物及土壤的阳离子交换容量

（2）沉积物颗粒的大小。一般来说，沉积物的颗粒越小，其比表面积越大，CEC值越高。例如，根据一河流沉积物的粒径及其CEC的实测结果，随着沉积物的粒径为从4.4μm增至1000μm，其CEC从14～65 meq/100 g变到4～20 meq/100 g，最终减小到0.3～13 meq/100 g。

（3）水溶液的pH值。一般来说，随着水溶液pH值的增加，土壤表面的可变负电荷量增多，其CEC相应增加；相反，随着水溶液pH值的减小，土壤表面的可变负电荷量不断减少，其CEC也随之减小。

2.5.2.2 阳离子交换反应及平衡

阳离子交换反应的一般形式可写为：

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式中：A^m+、Bⁿ⁺表示水溶液中的A、B离子；AX、BX表示吸附在固体表面的A、B离子。上述反应的平衡常数可写为：

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式中：a标记溶液中组分的活度；{}表示表示吸附在固体表面上的离子的活度。对于水溶液中的离子，其活度可使用表2-1-1中的公式进行计算；但对于吸附在固体表面上的离子，其活度的计算至今还没有满意的方法。目前主要采用两种替代的方法来处理这一问题，一种是Vanselow惯例，另一种是Gaines-Thomas惯例。Vanselow惯例是由Vanselow于1932年提出的，他建议使用摩尔分数来代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若固体表面仅吸附了A离子和B离子，在一定重量（100 g）的吸附剂表面A、B的含量（mmol）依次为q_A和q_B，则吸附剂表面A、B的摩尔分数分别为：

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显然，x_A+x_B=1。这样式（2-5-7）可改写为：

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Gaines-Thomas惯例是由Gaines和Thomas于1953年提出的，他们建议采用当量百分数来代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若用y_A和y_B分别表示吸附剂表面A、B的当量百分数，则有：

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同样，y_A+y_B=1，这样式（2-5-7）变为：

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目前，这两种惯例都还在被有关的研究者所使用，各有优点，互为补充。事实上，离子交换反应的平衡常数并不是一个常数，它往往随着水溶液的成分、pH值及固体表面成分的变化而变化，因此许多研究者认为将其称为交换系数（Exchange Coefficient）或选择系数（Selectivity Coefficient）更合适一些（Appelo，1994；Deutsch，1997；Benefield，1982；Kehew，2001）。

若已知两种不同离子与同一种离子在某种吸附剂中发生交换反应的交换系数，则可计算出这两种离子发生交换反应的交换系数。例如，若在某种吸附剂中下述反应：

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交换系数分别为K_Ca-Na和K_K-Na，则在该吸附剂中反应：

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的交换系数为：

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这是因为（以Vanselow惯例为例）：

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故有：

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表2-5-3列出了不同离子与Na⁺发生交换反应的交换系数（Vanselow惯例），据此便可按照上述的方法求得这些离子之间发生交换反应时的交换系数。

需要说明的是，在表2-5-3中，I离子与Na⁺之间交换反应的反应式为：

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表2-5-3 不同离子与Na⁺发生交换反应时的交换系数

其交换系数的定义式如下：

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【例】在某地下水系统中，有一段含有大量粘土矿物、因此具有明显阳离子交换能力的地段，假定：

（1）该地段含水层的阳离子交换容量为100 meq/100 g，含水层中的交换性阳离子只有Ca²⁺和Mg²⁺，初始状态下含水层颗粒中Ca²⁺、Mg²⁺的含量相等；

（2）在进入该地段之前，地下水中的Ca²⁺、Mg²⁺浓度相等，均为10^-3 mol/L；

（3）含水层的孔隙度为n=0.33，固体颗粒的密度为ρ=2.65 g/cm³；

（4）含水层中发生的阳离子交换反应为：

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不考虑活度系数的影响，其平衡常数（Vanselow惯例）为：

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试使用阳离子交换平衡关系计算，当地下水通过该地段并达到新的交换平衡后，水溶液中及含水层颗粒表面Ca²⁺、Mg²⁺浓度的变化。

【解】：设达到新的交换平衡后，含水层颗粒中Ca²⁺的摩尔分数为y、水溶液中Ca²⁺的浓度为x（mmol/L），则这时含水层颗粒中Mg²⁺的摩尔分数为1-y、水溶液中Mg²⁺的浓度为2-x（mmol/L），故有：

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整理得：

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已知含水层的CEC=100 meq/100g，因此对于二价阳离子来说，含水层颗粒可吸附的阳离子总量为50 mmol/100 g=0.5 mmol/g。若用z表示达到交换平衡后1 g含水层颗粒中Ca²⁺的含量，则有：

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以式（2-5-25）带入式（2-5-24）得：

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为了计算上述变化，需要对1 L水所对应的含水层中Ca²⁺的质量守恒关系进行研究。已知含水层的孔隙度为0.33，显然在这样的含水层中，1 L水所对应的含水层颗粒的体积为0.67/0.33（L），相应的含水层颗粒的质量为：

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故吸附作用前后1 L水所对应的含水层中Ca²⁺的质量守恒关系为：

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式中的0.25为吸附作用前1 g含水层颗粒中Ca²⁺的含量（mmol），由式（2-5-27）可得：

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以式（2-5-26）带入式（2-5-28）并整理得：

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这是一个关于z的一元二次方程，求解该方程可得：z=0.2500627 mmol/g。代z入式（2-5-25）和式（2-5-26）可得达到新的交换平衡后含水层颗粒中Ca²⁺的摩尔分数为0.5001254，水溶液中Ca²⁺的浓度为0.75 mmol/L，故这时含水层颗粒中Mg²⁺的摩尔分数为0.4998746、水溶液中Mg²⁺的浓度为1.25 mmol/L。由此可见，地下水通过该粘性土地段后，尽管Ca²⁺、Mg²⁺在含水层颗粒中的含量变化很小，但它们在地下水中的含量变化却较大，Mg²⁺从原来的1 mmol/L增加到了1.25 mmol/L，Ca²⁺则从原来的1 mmol/L减少到了0.75 mmol/L。

2.5.2.3 分配系数及离子的吸附亲和力

除了交换系数，还有一个重要的参数需要介绍，这就是分配系数（Separation Factor）（Benefield，1982）。对于反应（2-5-6），它被定义为：

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式中c_A和c_B分别为水溶液中A、B离子的摩尔浓度。显然，若不考虑活度系数的影响，对于同价离子间的交换反应，Q_A-B=K_A-B。式（2-5-29）可改写为：

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由式（2-5-30）可见，Q_A-B反映了溶液中B与A的含量之比与吸附剂表面B与A的含量之比之间的相对关系。当Q_A-B=1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例等于其在吸附剂表面的比例，因此对于该吸附剂，A和B具有相同的吸附亲和力；当Q_A-B＞1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例大于其在吸附剂表面的比例，因此A与B相比具有更大的吸附亲和力；当Q_A-B＜1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例小于其在吸附剂表面的比例，因此B与A相比具有更大的吸附亲和力。

事实上，即使对于同一阳离子交换反应，其分配系数也会随着水溶液性质的变化而变化（Stumm and Morgan，1996）。图2-5-5给出了Na—Ca交换反应的分配系数随Na⁺浓度的变化。沿着图中的虚线，Q_Na-Ca=1，这时Na⁺和Ca²⁺具有相同的吸附亲和力。但在稀溶液中，例如［Na⁺］=10^-3 mol/L和10^-2 mol/L，Ca²⁺在吸附剂中的比例要远大于其在水溶液中的比例，因此在这种情况下Ca²⁺具有更强的吸附亲和力。随着Na⁺浓度的增大，Ca²⁺的吸附亲和力逐渐减弱，Na⁺的吸附亲和力则逐渐增强，当［Na⁺］=2 mol/L时，Na⁺已经变得比Ca²⁺具有更强的吸附亲和力。Na—Ca交换反应分配系数的这种变化对于解释一些实际现象具有重要的意义，根据这种变化，我们可以推断淡水含水层中通常含有大量的可交换的Ca²⁺，而海水含水层中通常含有大量的可交换的Na⁺。这种变化关系也解释了为什么硬水软化剂能够选择性地去除Ca²⁺，同时通过使用高Na⁺浓度的卤水溶液进行冲刷而再生。

图2-5-5 溶液中Ca²⁺的含量对吸附作用的影响

根据离子交换反应的分配系数，可以定量地评价离子的吸附亲和力。一般来说，离子在土壤中的吸附亲和力具有下述的规律：

（1）高价离子比低价离子具有更高的吸附亲和力。例如，Al³⁺＞Mg²⁺＞Na⁺；＞。这是因为离子交换反应从本质上说是一个静电吸引过程，离子价越高，所受到的静电吸引力就越大，它就越容易被吸附剂所吸附。

（2）同价离子的吸附亲和力随着离子水化半径的减小而增大。例如，Ca²⁺＞Mg²⁺＞Be²⁺；＞K⁺＞Na⁺＞Li⁺。这是因为离子的水化半径越小，它越容易接近固体表面，从而也就越易于被固体所吸附。

Deutsch（1997）根据Appelo和Postma（1994）的资料，对二价阳离子的吸附亲和力进行了研究，他所得到了吸附亲和力顺序如下：

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在常见的天然地下水系统中，Ca²⁺和Mg²⁺通常为地下水中的主要阳离子，它们在水溶液中相对较高的含量将使其成为含水层颗粒表面的主要吸附离子，尽管一些微量元素可能更紧密地被吸附在含水层颗粒表面上。但在污染地下水系统中，若吸附亲和力更强的Pb²⁺和Ba²⁺的含量与Ca²⁺、Mg²⁺的含量在同一水平上，则含水层颗粒表面的主要吸附离子将变为Pb²⁺和Ba²⁺，这将大大地影响Pb²⁺和Ba²⁺在地下水中的迁移能力。

综合来讲，阳离子和阴离子的吸附亲和力顺序分别为（何燧源等，2000）：

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可见，阳离子中Li⁺和Na⁺最不易被吸附，阴离子中Cl^-和最不易被吸附。

离子交换对地下水质产生重要影响的一种常见情况就是海水入侵到淡水含水层中。当在沿海地带大量抽取含水层中的淡水时，海水将对含水层进行补给。初始状态下含水层颗粒表面吸附的主要是Ca²⁺和Mg²⁺，海水中的主要阳离子为Na⁺，阴离子为Cl^-。这样入侵的海水将导致含水层中发生下述的阳离子交换反应：

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由于Cl^-通常不易被吸附，也不参与其他的水岩作用过程。所以相对于Cl^-来说，该过程将使得Na⁺的迁移能力降低。

地下水系统中另一种常见的情况与上述过程相反，这就是Ca²⁺置换被吸附的Na⁺，反应式如下：

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人们在大西洋沿岸的砂岩含水层（Zack and Roberts，1988；Knobel and Phillips，1988）以及北美西部的沉积盆地中（Thorstenson等，1979；Henderson，1985）均发现了这种天然的软化过程。该反应发生的前提条件是：含水层中含有碳酸盐矿物，CO₂的分压较高，含水层颗粒中含有大量的可交换的Na⁺。

Ⅲ 混层矿物的概念

在层状硅酸盐中，不仅各单元层间堆放的角度可以变化，而且可以在同一晶格中出现不同矿物的单元层。例如，所谓板石即由伊利石和蒙脱石两种单元层规则交替组成的矿物，这种矿物即称为混层矿物。混层矿物的层可以是规则交替的，也可以不很规则。

在低温条件下形成的层状硅酸盐，常常有这种混层矿物出现。

多型现象和混层现象，既大大增加了层状硅酸盐结构的复杂性，使鉴定工作的难度加大，也为深入研究这些矿物，提供新的信息开辟了广阔前景。

学习指导

层状硅酸盐的晶体结构既复杂，又有一定的规律。学习时必须联系结构单元层类型，弄清楚每个矿物族的以下几点:

(1)单元层的结构是2∶1型还是1∶1型。

(2)是三八面体结构还是二八面体结构。

(3)是否有Al³⁺代替Si⁴⁺，数量如何?

(4)结构单元层的电荷平衡情况，有无多余负电荷，若有，来自哪一片(四面体片还是八面体片)?

(5)熟悉层间域的情况。有无阳离子;有什么阳离子;有无水分子;有无类氢氧镁石片。

在弄清上述问题的基础上，熟记最典型的化学式。大致了解常混入的类质同象组分，并联系矿物的成分、结构，理解其性质，尤其是比较特别的性质，如滑感、弹性、吸水膨胀、离子交换、灼烧胀大、弯曲卷筒等等。

对于晶体较显著的层状硅酸盐，肉眼根据其颜色和其他性质识别并不太难。对于细分散的层状硅酸盐，只能进行初步鉴定，并了解进一步鉴定的方法。层状硅酸盐有许多共同之处，可以把它们的成分、性质和成因与链状亚类进行比较。

对水文地质、工程地质和石油地质等专业来讲，在沉积作用中大量出现的本亚类矿物具有重大意义。

对补充的五个问题只要求一般了解。

复习思考题

1.何谓2∶1型结构单元层和1∶1型结构单元层?试各举两种具有上述结构的矿物，画出结构示意图。

2.何谓三八面体结构和二八面体结构层状硅酸盐?试各举四种矿物的例子，并写出化学式。

3.蒙脱石族矿物为什么具有阳离子交换性和晶格可膨胀性?

4.试分析滑石、白云母、绿泥石和高岭石四种矿物结构单元层之间的联系力不同对矿物性质(硬度、弹性、滑感等)的影响。

5.何谓粘土矿物?它们有哪些特殊性质?

6.层状硅酸盐矿物的成因、产状有何特点?

Ⅳ 蒙脱石ksf是经过哪方面改性的

蒙脱石是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的矿物，它们一般为块状或土状。当温度达到100～200℃时，蒙脱石中的水分子会逐渐跑掉。失水后的蒙脱石还可以重新吸收水分子或其他极性分子。
蒙脱石改性有钠化改性、铝改性、有机化改性等等方法。都是利用蒙脱石失水后留下的空隙，让它吸附其它分子或物质以后进行某种性能的改变。
ksf则为关键成功因素分析法的简称，是指用关键成功因素分析法对蒙脱石改性过程控制得到的产品。本身并没有具体的改性内容。

蒙脱石（Montmorillonite）属于单斜晶系的含水层状硅酸盐矿物。其颗粒细小，具有胶体分散特性。 蒙脱石属于2∶1型结构单元层的二八面体型，单位晶胞由两片顶角朝里的Si-O四面体中夹一片Al-O或 Mg-O八面体形成一结构层。处于八面体空隙中的三价Al3+、Fe3+、和Cr3+离子常常被低价离子取代如Mg2+代替Al3+，Si4+常常被Al3+代替。由于部分高价阳离子被低价阳离子所取代，使结构层中的氧负电荷过剩。为了保证电荷平衡，水，交换性阳离子如Na+和Ca2+和有机液体可以进入层间结构，故蒙脱石具有阳离子交换能力。层间水分子在100～200℃时逐渐脱水，但并不破坏结构单元层的结构。脱水后的蒙脱石又可重新吸附水分子或其他极性分子进入层间。其化学式可表示为Ex (H2O)4 {(Al2-x , Mgx)2 [(Si , Al)4O10] (OH)2}。由于自然界产出的蒙脱石绝大部分为钙基蒙脱石，钙基蒙脱石较钠基蒙脱石性能差，所以常用人工钠化的方法将钙基蒙脱石改型为钠基蒙脱石。
由于蒙脱石存在天然膨润土中，高纯度蒙脱石是由膨润土而得的。蒙脱石的提纯的方法有很多种，目前天然蒙脱石的提纯方法主要是湿法提纯。常见的湿法提纯是以水为介质的，水法提纯主要有以下几种：自然沉降法、重液分离法、絮凝法和离心分离法等。
蒙脱石改性是通过改变蒙脱石层间交换阳离子的种类来改变其物理化学性质。不同的无机阳离子与蒙脱石层间的亲合力主要受阳离子的电荷数及其水化能控制。阳离子的水化能越小、电荷数越低，与粘土矿物层间的亲合力就越强。常见的亲合力顺序对碱金属而言为：Cs+>Rb2+>Na2+>Li+,对碱土金属而言为：Ba2+>Sr2 +>Ca2+>Mg2+。蒙脱石中某些离子交换反应是可逆的，而某些离子交换反应是不可逆的。Ca-蒙脱石的钠化改性过程中，阳离子交换受其电荷数及其水化能控制，阳离子的水化能越小、电荷数越低，与粘土矿物层间的亲合力就越强。无机阳离子与蒙脱石的离子交换反应可分为三个阶段，初始阶段以表面吸附为主，后期阶段以层间离子交换为主，中期阶段为过渡阶段，介于表面吸附和层间离子交换。
蒙脱石改性一般是蒙脱石钠化改性，采用向钙基蒙脱石中加入一定的改性剂Na2CO3，在一定的条件下使阳离子Na+ 置换结构层间的Ca2+、Mg2+,从而实现结构层间离子的转变改性。
如用[Mont]-X代替蒙脱石化学式（X表示交换阳离子），那么蒙脱石钠化改性反应则为：
[Mont]-Ca＋Na+ →[Mont]-Na＋Ca2+
在蒙脱石的钠化改性过程中，钠离子交换可自动发生，但与时间和温度有关。Ca-蒙脱石钠化改性实验证明：Na+离子与Ca-蒙脱石的Ca2+离子交换为一级反应，反应的活化能Ea为16.23kJ•mol-1，反应得频率因子为1.00048，反应初期离子交换速率非常快，后期较慢并与时间成线性关系。蒙脱石的钠化改性需解决的问题就是加快蒙脱石改性的离子交换速率，并在一定的时间内不可逆。
由于钠质蒙脱石的性能优于钙质蒙脱石，所以其用途最广，用量最大。在医药、造纸、橡胶、油漆、涂料和化妆品生产的过程中常使用蒙脱石作为原料。

Ⅳ 纳米蒙脱石是什么

蒙脱石(montmorillonite)在美国药典、英国药典及欧洲药典等药典中均有收载，无臭，有轻微的土味，无刺激性，对神经、呼吸及心血管系统没有影响，具有良好的吸附能力、阳离子交换能力和吸水膨胀能力，对大肠杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲菌、金黄色葡萄球菌和轮状病毒以及胆盐都有较好的吸附作用，对细菌毒素也有固定作用，止泻迅速，因此其制剂广泛应用于临床。蒙脱石原料药除用于制剂外还用于药物合成以及作为辅料用于缓释制剂。
关键词：蒙脱石；止泻；腹泻；吸附；制剂；药物合成；辅料；
蒙脱石(montmorillonite)是由膨润土提纯加工而得[1]。膨润土又名斑脱岩（bentonite）,是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，其蒙脱石含量为40%-90%，还含有少量高岭石、水铝英石、绿泥石、蛋白石、云母等矿物质，膨润土的性能与蒙脱石含量有关，含蒙脱石越多，其性能越优越[2]。美国药典、英国药典及欧洲药典收载了斑脱岩[3]。蒙脱石作为药用原料和辅料在医药行业中已应用多年，药用蒙脱石无臭，有轻微的土味，近白色或微黄色，有蜡样光泽，无刺激性。用小鼠自主活动仪测定膨润土对神经系统的影响，二道生理仪测定大鼠的呼吸深度及频率，鼠尾法测定大鼠血压，用ELG-8511心电图仪，采用二道联测定大鼠心电图。结果：膨润土最大耐受量为8g/kg,，相当于人用量的2666倍，毒性很小。统计结果表明膨润土对神经、呼吸及心血管系统没有影响[4]。蒙脱石因其特殊的晶体结构而具有良好的吸附能力、阳离子交换能力和吸水膨胀能力。蒙脱石药理研究表明，它对大肠杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲菌、金黄色葡萄球菌和轮状病毒以及胆盐都有较好的吸附作用；对细菌毒素有固定作用；蒙脱石只吸附、固定表面带有粒编码蛋白（CS31 A）的致病性带电病原菌，对表面不带 CS31 A 的正常菌群无固定清除作用 [5,6]。因此，蒙脱石在医药上得到广泛应用。
1 蒙脱石原料药
最早在临床上用于治疗腹泻及消化道溃疡的是蒙脱石散剂，由法国益普生公司研制并进口到中国，商品名为思密达(Smecta)。对思密达的药理研究表明，它对大肠杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲菌、金葡菌和轮状病毒及胆盐有较好的吸附作用，对细菌毒素有固定作用；研究还表明蒙脱石只吸附固定表面带有粒编码蛋白(CS3lA)的致病性带电病原菌，对表面不带CS3lA的正常菌群无固定清除作用。蒙脱石在菌液中浓度达5%时，对细菌的吸附率几乎达100%[7]。此后蒙脱石散剂的仿制药必奇、肯特令等在中国陆续上市，新剂型蒙脱石分散片于2005年由国家食品药品监督管理局（以下简称SFDA）批准上市，商品名为赛立迈[8]。目前，SFDA已经发布了蒙脱石、蒙脱石散剂国家药品标准以及蒙脱石分散片国家新药标准。
蒙脱石原料来自于大自然，对环境没有污染，对消化道病原菌具有清除作用，是粘膜保护剂，口服蒙脱石不被人体吸收，不进入血液循环，不影响胃肠蠕动，不影响食物的消化吸收，没有禁忌症，适用于各种人群，特别是儿童。经多年临床试验证明，蒙脱石散治疗各种原因引起的急、慢性腹泻总有效率高，止泻迅速，可以最大限度降低腹泻对患者胃肠的损害[9]。
蒙脱石散除治疗腹泻外，还用于新生儿继发性消化道出血，拮抗红霉素胃肠道反应，治疗口腔溃疡和小儿口炎，治疗小儿霉菌性肠炎，治疗新生儿母婴性黄疸，治疗咽下综合症等[10]。
有关腹泻流行病调查数据显示，腹泻在城镇人口中发病率达到每年0.4次/人，市场容量达到35亿元[11]。
赛立迈蒙脱石分散片，每片1克，成人可以直接口服，儿童用水分散后口服，剂量准确，方便，为临床提供了除蒙脱石散以外的新的选择。
2 蒙脱石用于药物合成
蒙脱石可用于纯化青霉素酰化酶。青霉素酰化酶是生产半合成β－内酰胺类抗生素的重要工业用酶。按0.6％(w/w)的比例将蒙脱石加到青霉素酰化酶发酵上清液中，可将酶100％吸附，而吸附的蛋白质仅占发酵上清液中的10％左右。吸附时的pH和无机盐对酶的吸附影响不大。使用不同pH和种类的缓冲液洗涤蒙脱石-酶复合物，不会将酶洗脱，但可洗脱15％左右吸附的杂蛋白[12]。使用含10％以上的PEG和NaCl的磷酸缓冲液可将酶全部洗脱，酶纯化25倍，浓缩6倍左右[13]。此方法特点是简便，酶活力收率高，可在常温下操作，也可直接从未除菌体的发酵液中提取酶，具有工业应用价值。
将壳聚糖与蒙脱石相结合，制备成一种复合吸附剂，对中药提取液中鞣酸的脱除取得很好效果。对于高浓度 ( 0 .5 % ) 的鞣酸溶液，脱除率可达到 5 0 %。该吸附剂具有用量少、稳定性高、操作简单等优点[14]。
以酸活化蒙脱石可催化以水杨酸和乙酸酐为原料合成阿司匹林，收率可达90.44%。结果表明酸活化蒙脱石对阿司匹林的合成具有良好的催化活性[15]。
取盐酸小檗碱1g，溶于50mL甲醇，加50mL水，搅匀，加蒙脱石及酸性石膏粉9.14g，不断搅拌，至上层溶液无色为止，抽滤沉淀，水洗沉淀并抽干，可配制成无味盐酸小檗碱，矫正盐酸小檗碱苦味[16]。
蒙脱石用于精制甘草浸膏，用5% -7%的蒙脱石加于甘草流浸膏中，调节pH=9.3，将混合物加热到95℃ ，保持45 min，过滤，制成的甘草浸膏其中甘草酸的含量比未经蒙脱石处理者约增高10％，且几乎无沉淀[17]。
3 蒙脱石作为药用辅料
蒙脱石由于具有吸水性、悬浮性、分散性、粘结性、触变性，可具有乳化、增稠、助悬、吸附的性能，是理想的药用辅料，广泛用于各种剂型。
用甲紫1.2g，白凡士林10g，液体石蜡6g，十八醇9g，十二烷基硫酸钠1g，甘油5g，蒙脱石水分散液80mL(尼泊金乙酯0.5g)，可制得稳定性好、易于涂布、易洗脱、无刺激性、无毒性的甲紫乳膏[18]。
5份Magne2siumacexamate及95份蒙脱石可制得治疗浓硫酸灼伤的糊剂。
蒙脱石70-85份，表面活性剂1-5份，消毒剂0.2-1份，研磨料12-25份，可制得医院及家庭使用的消毒用糊剂[19]。
甲紫0.25%-3%，PVP7%-14%，蒙脱石22%-27%，再加入适量溶媒或分散剂制成的甲紫乳剂混悬剂，用时皮肤不着色，易洗脱[20]。
1%蒙脱石作为硫糖铝助悬剂，效果优于CMC-Na，再分散性好，沉降慢，絮凝颗粒细腻；2%蒙脱石作炉甘石洗剂的助悬剂，其沉降容积比，微粒布朗运动，重分散力，结块情况，微粒大小等指标优于同浓度的CMC-Na、海藻酸钠[21]。
蒙脱石3.0g，CMC-Na 1.7g，吐温-80及甘油各适量，制得600cm2口膜。此蒙脱石膜可与溃疡面紧密接触，且药膜5分钟左右溶化[22]。
蒙脱石可用于控释茶碱片的制备，将茶碱、微晶纤维素、蒙脱石、CaCO3、PVP混合后压片，然后用乙基纤维素包衣，可制得包衣控释茶碱片[23]。
蒙脱石与微晶纤维素和玉米淀粉等作崩解剂制成的甲状腺素速崩片和咀嚼片，特别易于病人吞咽，在数秒钟内就可迅速崩解为精细的颗粒，非常适宜人体消化道对甲状腺素的吸收[24]。 ........................................
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Ⅵ 蒙脱石在饲料中有何作用

蒙脱石对家禽家畜有增加食欲、助消化、调节机体平衡、增加免疫机能、防病保健等作用。
（1）补充矿物质和必需元素
动物实验等研究证实蒙脱石含有畜禽等多种动物生长发育所必需的多种具有生物学功能的常量元素和微量元素，除Si、Al外，还含有Fe、Zn、Cu、K、Na、Ca、Mg、P、I、Se等多种常量元素和微量元素及生物活性物质，这些元素可补充动物营养所需的物质，也是生物酶、激素等生物活性物质的组分，能使生物酶、激素的活性或免疫反应发生明显变化，还是以可交换性离子和可溶性盐的形式存在，易被动物吸收利用。
（2）脱霉脱毒护肠
根据蒙脱石的阳离子交换能力及非均匀性电荷分布的电负性，在蒙脱石晶体层间可形成具有极性的水合薄膜，而病毒、病菌也具有很好极性，两者之间通过H-O-H范德华力而非化学键结合，将消化道内的病毒、病菌及其产生的毒素吸入矿物层间，有极强的固定和抑制作用，被吸附后的真菌毒素和细菌毒素随粪便排出体外，减少了肠道对这些毒素的吸收，从而避免对动物的侵害。
消化道内大量的分散液使蒙脱石形成凝胶，从而增强覆盖能力和保护作用。并通过与粘液糖蛋白相互结合，从质和量两方面修复、提高粘膜屏障对攻击因子的防御功能。因此对于腹泻、痢疾等各种消化道炎症有良好疗效。
（3）饲料改良剂
由于特有的吸水膨胀性、高分散性、悬浮性、触变性、润滑性和吸附性等，蒙脱石一是能够提高饲料的适口性和改进饲料的松散性，延缓饲料通过消化道的速度，增加营养物质本身反应的表面积，也增加了营养物质与消化道粘膜接触的表面积，使营养物吸收得更充分，从而提高饲料利用率。二是可降低家禽粪便中的水分，保持栏内干燥，减少发病率。

Ⅶ 测定膨润土（蒙脱石）阳离子交换容量CEC有什么意义

膨润土（蒙脱石）晶层中的阳离子具有可交换性能，在一定的物理—化学条件下，不仅Ca2+、Mg2+、Na+、K+等可相互交换，而且H+、多核金属阳离子（如羟基铝十三聚体）、有机阳离子（如二甲基双十八烷基氯化铵）也可交换晶层间的阳离子。阳离子交换性是膨润土（蒙脱石）的重要工艺特性，利用这一特性，可进行膨润土的改型，由钙基膨润土改型为钠基膨润土、活性白土、锂基膨润土、有机膨润土、柱撑蒙脱石等产品。 阳离子交换容量（Cation Exchange Capacity）是指PH值为7的条件下所吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 等阳离子总量，简称为CEC。膨润土矿阳离子交换容量和交换性阳离子是判断膨润土矿质量和划分膨润土矿属型的主要依据， CEC值愈大表示其带负电量愈大，其水化、膨胀和分散能力愈强；反之，其水化、膨胀和分散能力愈差。如北票市膨润土阳离子交换容量CEC 为66.7mmol/100g，阜新市的膨润土阳离子交换容量CEC 为85.55 mmol/100g，内蒙古优质膨润土阳离子交换容量CEC为115—139 mmol/100g。
研究表明，蒙脱土的片层中间的CEC通常在60-120mmol/100G范围内，这是一个比较适合与聚合物插层形成纳米复合材料的离子交换容量。因为如果无机物的离子交换容量太高，极高的层间库仑力使得无机物片层间作用力过大，不利于大分子链的插入；如果无机物的离子交换容量太低，无机物不能有效地与聚合物相互作用，不足以保证无机物与聚合物基体的相容性，同样不能得到插层纳米复合物材料。适宜的离子交换容量、优良的力学性能使得蒙脱土成为制备PLS纳米复合材料的首选矿物。CEC值和膨润土（蒙脱石）的内表面积与蒙脱石含量呈正相关关系，用阳离子交换容量CEC 为100mmol/100g的膨润土和 用阳离子交换容量CEC 为61mmol/100g的膨润土制备插层纳米复合物材料，尽管层间距相差不大(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)却有较大的差别. 与原料土的比表面(76.0和90.5m2。g-1)及吸氨量(49.2和62.1mg。g-1)相比，分别增加5.5和1.4倍及6.5和1.3倍，比表面和吸氨量的增加倍数有一定的对应关系. 这说明层电荷密度主要影响材料的表面性质. 由于层间距(d001)的变化主要取决于交联剂的大小, 因而不同层电荷密度对于采用同种的交联剂制备材料的层间距影响不大。
测定CEC的方法很多，如定氮蒸镏法、醋酸铵法、氯化铵-醋酸钠法、氯化铵-无水乙醇法、氯化铵-氨水法、氯化钡-硫酸法等。目前，膨润土CEC测定是依据国标JC/T 593—1995（膨润土试验方法）。具体方法如下：
（1）方法提要
用含指示阳离子NH4+的提取剂处理膨润土矿试样，将试样中可交换性阳离子全部置换进入提取液中，并使试样饱和吸附指示阳离子转化成铵基上。将铵基土和提取液分离，测定提取液中的钾、钠、钙及镁等离子，则为相应的交换性阳离子量。
（2）主要试剂和材料
a. 离心机：测量范围为0～400r/min；
b. 磁力搅拌器：测量范围为50～2 400r/min’
c. 钾、钠、钙、镁混合标准溶液〔c(0.01Na+、0.005Ca2+、0.005Mg2+、0.002K+)〕称取0.5004g碳酸钙(基准试剂)，0.201 5g氧化镁(基准试剂)，0.5844g氯化钠(高纯试剂)和0.1491g氯化钾(高纯试剂)于250mL烧杯中，加水后以少量稀盐酸使之溶解(小心防止跳溅)。加热煮沸赶尽二氧化碳，冷却。将溶液移入1 000mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，移于干燥塑料瓶中保存；
d. 交换液：称取28.6g氯化铵置于250mL水中，加入600mL无水乙醇，摇匀，用1+1氨水调节pH为8.2，用水稀释至1L，即为0.5mol/L氯化铵-60%乙醇溶液。
e. EDTA标准溶液〔c(0.01EDTA)〕：取3.72g乙二胺四乙酸二钠，溶解于1 000mL水中。
标定：吸取10mL0.01mol/L氯化钙(基准试剂)标准溶液于100mL烧杯中，用水稀释至40～50mL左右。加入5mL4mol/L氢氧化钠溶液，使pH≈12～13，加少许酸性铬蓝K-萘酚绿B混合指示剂，用EDTA溶液滴至纯蓝色为终点。
c1= c2·V3/ V4
式中：
c1——EDTA标准溶液的实际浓度，mol/L；
c2——氯化钙标准溶液的浓度，mol/L；
V3——氯化钙标准溶液的体积，mL；
V4——滴定时消耗EDTA标准溶液的体积，mL。
f. 洗涤液：50%乙醇，95%乙醇。
（3）试验步骤
称取在115～110℃下烘干的试样1.000g，置于100mL离心管中。加入20mL50%乙醇，在磁力搅拌器上搅拌3～5min取下，离心(转速为300r/min左右)，弃去管内清液，再在离心管内加入50mL交换液，在磁力搅拌器上搅拌30min后取下，离心，清液收集到100mL容量瓶中。将残渣和离心管内壁用95%乙醇洗涤(约20mL)，经搅拌离心后，清液合并于上述100mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，待测。残渣弃去。
交换性钙、镁的测定，取上述母液25mL，置于150mL烧杯中，加水稀释至约50mL，加1mL1+1三乙醇胺和3～4mL4mol/L氢氧化钠，再加少许酸性铬蓝K-萘酚绿B混合指示剂，用0.01mol/LEDTA标准溶液滴定至纯蓝色，记下读数V5，然手用1+1盐酸中和pH为7，再加氨水-氯化铵缓冲溶液(pH=10)，再用0.01mol/LEDTA标准溶液滴至纯蓝色记下读数V6。
交换性钾、钠的测定：取25mL母液于100mL烧杯中，加入2～3滴1+1盐酸，低温蒸干。加入1mL1+1盐酸及15～20mL水，微热溶解可溶性盐，冷却后溶液移入100mL容量瓶中，以水稀释至刻度、摇匀，在火焰光度计上测定钾、钠。标准曲线的绘制：分取0、3、6、9、12、15mL钾、钠、钙、镁混合标准溶液于100mL容量瓶中，加入2mL1+1盐酸，用水稀释至刻度、摇匀。在与试样同一条件下测量钾、钠的读数，并绘制标准曲线(此标准系列分别相当于每100g样中含有0、170、345、520、690、860mg的交换性钠和0、60、120、175、240、295mg的交换性钾。
（4）结果计算
钙、镁的含量按下式计算：
交换性钙g/100g= （40c5V5）/（2.5m3）
交换性镁g/100g=[ 24c5(V6-V5)]/ （2.5m3）
式中：
c5—EDTA标准溶液的实际摩尔浓度mol/L；
V6、V5—滴定时耗用EDTA标准溶液的毫升数，mL；
m3——试样质量，g。
钾、钠的含量按(10)式计算：
交换性钾(g/100g)= Kmg /（2.5m3）
交换性钠(g/100g)= Namg/（2.5m3）
式中：
Kmg，Namg—由标准曲线上查得的钾钠的毫克数；
m3——试样质量，g。

Ⅷ 蒙脱石/膨润土的膨胀容、胶质价和阳离子交换容量有关系吗它们之间有什么联系

阳离子交换容量：在一定pH值(=7)时,每千克土中所含有的全部交换性阳离子(K+、Na+、Ca2+、
Mg2+、NH4+、H+、Al3+等)的厘摩尔数(potential CEC).
胶质价：膨润土与水按比例混合后，加适量氧化镁，使其凝聚形成的凝胶体的体积，称为胶质价。 以15克样形成的凝胶体积的毫升数表示。胶质价显示试样颗粒分散与水化程度，是分散 性、亲水性和膨胀性的综合表现，它的大小与膨润土矿的属型和蒙脱石含量密切相关，钠 基比钙基、酸性膨润土的胶质价高，同一属型的膨润土，含蒙脱石愈多，胶质价愈高。所 以，胶质价是鉴定膨润土矿石属型和估价膨润土质量的技术指标之一。
膨胀容：膨润土的膨胀性能以膨胀容表示，膨润土在稀盐酸溶液中膨胀后的容积称为膨胀容，以毫 升/克样表示。钠基膨润土比钙基、酸性膨润土的膨胀容高；同一属型的膨润土，含蒙脱石 愈多，膨胀容愈高。膨胀容是鉴定膨润土矿石属型和估价膨润土质量的技术指标之一
联系：CEC中K+ Na+含量高----胶质价 膨胀容就高。反之就低。

Ⅸ 任务掌握硅酸盐类矿物的鉴定

一、岛状及环状硅酸盐亚类矿物的鉴定

1.鉴定要求

1)掌握橄榄石、石榴子石、红柱石、蓝晶石、十字石、黄玉、绿帘石、榍石、符山石、绿柱石、电气石等矿物的主要鉴定特征，对锆石、堇青石等作一般了解；

2)掌握相似矿物的区别方法；

3)学会描述矿物。

2.鉴定内容

(1)矿物标本

橄榄石、石榴子石、红柱石、蓝晶石、

十字石、黄玉、绿帘石、榍石、

符山石、绿柱石、电气石

(2)实习操作

观察和描述上述矿物的形态特征、物理性质等手标本鉴定特征，并了解它们的成因和用途。

3.思考

1)橄榄石的鉴定特征是什么? 其成分中 Mg—Fe之间是什么关系? 随着含Fe量增多，其颜色、光泽、硬度、密度发生了什么变化? 橄榄石的成因特点以及它经热液蚀变最容易变成什么矿物?

2)石榴子石族矿物的鉴定特征是什么? 它和一些褐色、硬度大、解理不好的矿物(如锡石、锆石、十字石等)如何区别?

3)对比蓝晶石、红柱石这两种矿物的异同 (形态上、物性上)成因上各有何特点?

4)绿柱石、黄玉、电气石、十字石的晶形和断面有何特点?

4.提示

硅酸盐矿物肉眼鉴定时，主要从晶形及解理、颜色等方面着手，注意相似矿物的彼此对比区别。如绿柱石与黄玉、浅色电气石的主要区别。

二、链状硅酸盐亚类矿物的鉴定

1.鉴定要求

1)掌握辉石族和角闪石族矿物的形态特征，物性特点与它们的成分和结构的关系;

2)掌握普通辉石、透辉石、硅灰石、普通角闪石、透闪石，阳起石等矿物的主要鉴定特征;

3)掌握辉石族和角闪石族矿物的区别方法。

2.鉴定内容

(1)矿物标本

普通辉石、透辉石、硅灰石、

蔷薇辉石、普通角闪石、透闪石、

阳起石、角闪石石棉、矽线石

(2)实习操作

显微镜下观察辉石、角闪石的断面形状及解理夹角；对比角闪石族矿物和辉石族矿物的特点。

3.思考

1)辉石族矿物在形态和物性上有何共同特点? 普通辉石和透辉石如何区别?

2)角闪石族矿物在形态和物性上有何共同特点? 普通角闪石和透闪石、阳起石如何区别?

3)普通辉石与普通角闪石，透辉石与透闪石如何区别?

4)辉石族及角闪石族的解理平行什么方向? 在什么切面上能见到两组解理? 什么方向只能见到一组解理?

5)角闪石石棉的用途。

矿物鉴定

4.提示

1)链状硅酸盐矿物鉴定思路是:首先根据形态、解理、成因等特点划分出是辉石族还是角闪石族，然后再依据颜色、形态、成因划分矿物种。

2)辉石族和角闪石族是链状硅酸盐中最重要的矿物族，也是重要的造岩矿物。它们在自然界分布很广，在野外工作中识别它们，对确定岩石类型和岩石名称起重要作用。因此，通过对比，掌握它们的共同点及不同点很重要。

三、层状硅酸盐亚类矿物的鉴定

1.鉴定要求

1)重点掌握滑石、叶蜡石、蛇纹石、云母族、高岭石、绿泥石等矿物的鉴定特点;

2)掌握相似矿物的区别。

2.鉴定内容

(1)矿物标本

滑石、叶蜡石、蛇纹石及蛇纹石石棉 (温石棉)、白云母、黑云母、蒙脱石、高岭石、蛭石、绿泥石

(2)实习操作

观察和描述上述矿物的形态特征、物理性质等手标本鉴定特征，注意对比滑石与叶蜡石、白云母与黑云母的区别。

3.思考

1)滑石、叶蜡石、蛇纹石的主要鉴定特征是什么? 它们的生成与富含什么元素的岩石和矿物有关?

2)蒙脱石和高岭石的形态、物性和产状有何特点? 这些矿物用什么方法才能精确鉴定? 它们的用途如何?

3)蛭石和黑云母如何区别? 云母族矿物的实际用途是什么? 蛭石在工业上有何意义?

4)小结层状硅酸盐矿物 (与其他亚类比较有何特点?)。

4.提示

(1)常见黏土矿物 (高岭石、蒙脱石、埃洛石、水白云母等)的共同点和区别点

黏土 (或称黏土岩)中的矿物均由极其细小 (<0.01mm)的细分散质点构成，而它们彼此间的差别就是在普通显微镜下也无法鉴别，故人们通常统称为黏土矿物。近年来，人们采用了X射线衍射分析、差热分析、红外吸收光谱分析、染色试验以及电子显微镜等方法才对其矿物成分有了较为深入的了解。发现黏土岩中分布最广、含量较多的主要是水白云母 (伊利石)、高岭石、蒙脱石三种。现将主要黏土矿物的物、化性质及鉴定特征列表对比 (表7-2-1)，以供参考。

表7-2-1 主要黏土矿物类型对比表

续表

(2)Mg²⁺检出方法

用滑石或蛇纹石在清洁的条痕板上划一条痕，滴一滴镁试剂。若出现蓝色，则证明它们主要为含镁的矿物。

四、架状硅酸盐亚类矿物的鉴定

1.鉴定要求

1)掌握长石族矿物的特点，重点学会区别正长石和斜长石。

2)对霞石、白榴石、沸石族矿物等作一般了解。

2.鉴定内容

(1)矿物标本

正长石、微斜长石、透长石、

天河石、条纹长石、斜长石、

霞石、白榴石、沸石

(2)实习操作

观察和描述上述矿物的形态及物性特征；着重注意形态、颜色、解理、双晶、硬度等物性方面对比区别。做钾长石和斜长石的染色反应 (若课堂时间不够，可只做钾长石染色)。

3.思考

1)正长石有哪些鉴定特征? 正长石晶体的哪些方向可见到卡尔斯巴双晶?

2)微斜长石具有什么鉴定特点?

3)正长石亚族矿物的成因及其用途是什么? 正长石最容易变化成什么矿物?

4)斜长石亚族矿物的鉴定特征是什么? 从哪几个方面可和正长石亚族的矿物相区分?斜长石最易转变成什么矿物?

5)何谓条纹长石?

4.提示

1)长石与石英是自然界最常见的矿物，而且在岩石中常共生在一起。因此，应学会凭肉眼区别它们。长石具两组完全解理，而石英解理不发育；长石表面易风化，硬度降低，而石英则不易风化，表面干净，硬度大。但是，肉眼鉴别斜长石和正长石是比较困难的，然而根据它们的晶形、双晶、颜色、解理和共生矿物等，也可初步鉴定。最后确定矿物种需借助于显微镜观察。

(2)钾长石及斜长石的染色法介绍

用药品使矿物表面染上颜色的过程有两种:一种是使药品与矿物表面发生化学反应，而形成有色反应物附着于矿物上；另一种是药剂被矿物表面吸附着而使矿物着色。

钾长石和斜长石的染色鉴别法 (可采用花岗岩标本)操作如下:

首先，在矿物颗粒表面或磨光面上涂以氢氟酸，片刻后 (十几秒至数十秒钟后)以水冲洗干净；

然后，用亚硝酸钴钠溶液涂在表面上，一分钟后，再以水洗净。钾长石被染成明显的黄色 (干后，颜色更清楚，长期保存其色不变)；斜长石则仍为灰白色，石英也无变化。

如果进一步做斜长石染色，则可用上述已染过色的斜长石标本，以水冲洗表面，然后，滴以1%的BaCl2溶液，再滴数滴蒸馏水或用其他软水冲洗其表面1～2次，再滴上玫瑰红酸钠溶液，等1～2分钟后，斜长石即被染成红色。但此时，钾长石则仍然不变 (斜长石被染的红色不能持久不变)。

矿物鉴定

该染色鉴别的原理是，经氢氟酸腐蚀活化后，钾长石中的钾与亚硝酸钴钠反应形成黄色的亚硝酸钴钠钾沉淀。其他含钾矿物亦有此反应 (如黑云母染色后变为绿色)，因为斜长石中一般含K很微量，所以基本不染色。

斜长石中的钙能被BaCl₂中的钡置换，使斜长石表面含有钡，而钡又与玫瑰红酸钠反应形成红色的玫瑰红酸钡。斜长石中的钠端员矿物 (钠长石)则不染色，但只要斜长石中含有3%以上的钙长石分子，一般都能染上红色。所以，此染色对斜长石仍然是普遍有效的。

学习指导

硅酸盐矿物种类多，成分结构复杂，性质变化大，在学习时从以下方面来把握。

(1)组成硅酸盐矿物主要有哪些阳离子，铝和水在硅酸盐矿物中的分布和作用。这些化学成分对矿物的结构、性质有何影响。

(2)五种硅氧骨干形式一定要弄清，包括硅、氧连接方式，骨干形式，配阴离子化学式，阳离子的分布位置，硅氧骨干形式对矿物形态、性质的影响等。

(3)矿物的亚类、族、亚族、种的划分。

(4)相似矿物的区分。

(5)各种硅酸盐作为重要非金属矿产的用途。

练习与思考

1.名词解释

硅氧骨干 斜长石亚族 温石棉 月光石

2.选择题

(1)横切面具球面三角形的矿物是 ()

A.电气石

B.绿柱石

C.红柱石

(2)以下矿物中，()单晶体形态不可能长成柱状。

A.十字石

B.角闪石

C.石榴子石

(3)一矿物的化学式为 (Mg，Fe)₂[SiO₄]，那么它是 ()结构硅酸盐矿物。

A.岛状

B.环状

C.链状

(4)晶面具金刚光泽的矿物是 ()

A.黄玉

B.榍石

C.正长石

(5)手抚之无滑腻感的矿物为 ()

A.滑石

B.叶蜡石

C.绿泥石

(6)()具两组完全解理。

A.硅灰石

B.透长石

C.十字石

(7)一斜长石An=58，那么它是 ()。

A.拉长石

B.培长石

C.钙长石

(8)断口不呈油脂光泽的矿物为 ()。

A.霞石

B.普通角闪石

C.石榴子石

(9)具贝壳状断口的矿物是 ()。

A.红柱石

B.蓝晶石

C.橄榄石

(10)以下矿物中，属架状结构硅酸盐亚类的是 ()。

A.绿帘石

B.微斜长石

C.蛇纹石

3.判断题

(1)岛状结构硅酸盐亚类矿物晶体形态均呈粒状。()

(2)链状结构硅酸盐亚类矿物的解理方向是平行柱的方向。()

(3)在硅酸盐中架状结构硅酸盐亚类矿物密度最小，是因为结构中空隙多。()

(4)正长石易绢云母化，斜长石易高岭土化。()

(5)微斜长石与天河石的区别主要是颜色不同，其他物理性质均相同。()

(6)在岩石中霞石可以和石英同时出现。()

(7)硅酸盐矿物一般为非金属光泽，主要是因为化学键性决定的。()

(8)一辉石的分子式为 (Mg，Fe)[Si₂O₆]，其中Fe的含量大于Mg的含量。()

(9)透长石是一种低温相的钾长石。()

(10)硅酸盐类矿物的结晶形态，取决于硅氧骨干的型式和其他阳离子配位多面体的联结方式。

4.填空题

(1)硅酸盐类矿物按硅氧骨干型式分为五个亚类:______、______、______、______和______亚类。

(2)辉石族矿物分______和______两个亚族，其中普通辉石属______亚族矿物。

(3)碱性长石亚族包括由______和______形成的所有长石。

(4)云母、绿柱石、黄玉均具一组底面解理，其中具解理极完全的是______，具解理完全的是______，具解理不完全的是______。

(5)不少硅酸盐矿物是珍贵的宝石矿物，如______、______和______等。

(6)岛状结构硅酸盐矿物中，呈四方晶系的矿物有______和______等。

(7)高岭石被应用于陶瓷工业，主要利用的是它的______、______、______、______等性能。

5.简答题

(1)何谓含氧盐? 它和氧化物都含氧，有什么区别?

(2)为什么硅酸盐种类特别繁多，性质又相差悬殊? 试从地壳的组成和结构特征分析。

(3)硅氧四面体为[SiO₄]^4-，为什么双四面体是[Si₂O₇]^6-而不是[Si₂O₈]^8-?

(4)为什么架状结构硅氧四面体骨干中必须有Al代替Si才能形成架状硅酸盐?

(5)何谓Al在硅酸盐中的双重作用? 试从霞石 (Na[AlSiO₄])、黄玉 (Al₂[SiO₄]F₂)、白云母 (KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂)的晶体化学式分析Al在其中起什么作用，判断矿物属何亚类?

(6)岛状结构硅酸盐矿物晶格中有哪几类硅氧骨干? 写出其晶体化学式。

(7)石榴子石按其成分分为哪两系? 其成分和成因各有何特点? 主要矿物种有什么?

(8)锆石结晶形态具有什么标型意义?

(9)为什么橄榄石只能形成于SiO₂不饱和的岩石中?

(10)简述辉石族和角闪石族矿物在成分、结构和性质上有何共同和不同之处。

(11)何谓2∶1型单元层和1∶1型单元层? 试举两种具有上述结构的矿物，画出结构示意图。

(12)蒙脱石族矿物为什么具有阳离子交换能力和晶格可膨胀性?

(13)何谓黏土矿物，它们有哪些特殊的性质?

(14)为什么在硅酸盐中架状结构硅酸盐矿物的密度最小，但硬度较大?

(15)沸石族矿物在结构和性质上有何特殊之处?

(16)辉石族矿物的端元矿物有哪些? 长石族矿物的端元矿物有哪些?

(17)一斜长石的An=57，其中钠长石分子占百分之多少? 钙长石分子占百分之多少?

(18)为什么滑石、叶蜡石具挠性而云母族矿物具弹性?

Ⅹ 蒙脱石的理化性质

蒙脱石(Montmorillonite)是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物，名称来源于首先发现的产地－－法国的Montmorillon。蒙脱石亚族属于蒙皂石族(smectite)矿物之一(另一亚族是皂石saponite), 是重要的黏土矿物，一般为块状或土状。分子式(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O, 中间为铝氧八面体，上下为硅氧四面体所组成的三层片状结构的黏土矿物，在晶体构造层间含水及一些交换阳离子，有较高的离子交换容量，具有较高的吸水膨胀能力。蒙脱石晶体属单斜晶系的含水层状结构硅酸盐矿物。
蒙脱石颗粒细小，约0.2～1微米，具胶体分散特性，通常都呈块状或土状集合体产出。蒙脱石在电子显微镜下可见到片状的晶体，颜色或白灰，或浅蓝或浅红色。当温度达到100～200℃时，蒙脱石中的水分子会逐渐跑掉。失水后的蒙脱石还可以重新吸收水分子或其他极性分子。当它们吸收水分后还可以膨胀并超过原体积的几倍。蒙脱石的用途多种多样，人们将它的特性运用到化学反应中以产生吸附作用和净化作用。它还可以作为造纸、橡胶、化妆品的填充剂，石油脱色和石油裂化催化剂的原料等，还可作为地质钻探用泥浆，冶金用粘合剂及医药等等方面（主要制造蒙脱石散）。
蒙脱石的水含量因环境湿度而变化极大，其成分一般为（Na,Ca）0.33（Al,Mg）2（Si4O10）（OH）2·nH2O。单斜晶系，晶体片状或絮状、毛毡状。薄片中为负突起。平行消光，正延性。二轴负晶。是碱性介质中形成的外生矿物，火山灰及凝灰岩的风化分解产物，是构成斑脱岩、膨润土和漂白土的主要成分。通常为土状块体。白色，有时微带红色或绿色。光泽暗淡。硬度1。密度约为2。吸水性很强。吸水后其体积膨胀而增大几倍至十几倍，具很强的吸附力和阳离子交换性能。因含有此种矿物的黏土是一种高造浆率的优质配浆黏土，常用作石油工业钻井液的降失水剂和增黏剂，也用于炼油、纺织、橡胶、陶瓷等工业。
Ex（H2O）4{（Al2-x,Mgx）2[（Si,Al）4O10]（OH）2}又称微晶高岭石。上式中E为层间可交换阳离子，主要为Na+、Ca2+，其次有K+、Li+等。x为E作为一价阳离子时单位化学式的层电荷数，一般在0.2～0.6之间。根据层间主要阳离子的种类，分为钠蒙脱石、钙蒙脱石等成分变种。在晶体化学式中，H2O（结晶水或层间水等）一般都写在式子的最后面，但在蒙脱石中，H2O写在前面，表示H2O与可交换阳离子一起充填在层间域里。E与H2O以微弱的氢键相联形成水化状态，若E为一价离子，离子势小，形成一层连续的水分子层；若E为二价阳离子，形成二层连续水分子。这表明水分子进入层间与层格架（单元层）没有直接关系。水的含量与环境的湿度和温度有关，可多达四层。