“膨润土”科普

大家好，我叫“膨润土”，是一种具有多种用途的非金属矿物。对人们来说，我大有用处。可以用作造浆材料配制水基钻井液，用作治疗腹泻病的止泻剂、放射性物质吸附剂，纺织印染的漂白剂和化妆品的增稠剂等。随着现代科学技术发展以及研究方法和手段不断完善，对我的组成成分和性能认识不断深入，我的应用领域也越来越广。目前，我已在工农业生产24个领域100多个部门中得到广泛应用，产品数量共计300多个，因而大家称我为“万能黏土”。

图1 膨润土矿（图片来源：国家岩矿化石标本资源共享平台）

一、我的名字是怎么来的？是怎么发现的呢？

1898年，地质学者Knight在美国怀俄明州落基山河附近发现了我，当时的我身披绿黄色的“外衣”，遇水后体积会膨胀且变得黏稠。由于产地为“Fort Benton”，因而将我取名为Bentonite，中文名为膨润土，也叫斑脱岩、皂土或膨土岩。我是一种以蒙脱石为主要成分的非金属黏土，由于我的成长环境不同，一般还会包含伊利石、石英、长石和云母等其他杂质。在自然界中，我其实具有白色、乳黄色、绿黄色和砖红色等丰富多彩的外观颜色。与普通的地表岩土不同，我的外表一般呈现油脂、蜡质光泽。

二、我是怎么形成的？

为了研究我是如何形成的这一问题，地质学家花费了几十年的时间。20世纪早期，Condra等地质学家提出“膨润土是由火山物质蚀变而成的结晶黏土矿物组成”，主要是由火山熔浆从火山口溢出，流于地表后冷却成玻璃熔岩，或由于温度、压力骤变，火山熔浆喷出后迅速变成玻璃态的火山灰，落入地面后形成凝灰岩等。玻璃熔岩、凝灰岩等在漫长的地质年代中，经过在碱性水质中脱玻水解、结晶等作用后形成了膨润土（如图2所示）。目前，地球上约有75%的膨润土是由火山喷发形成的，除此之外，还会在湖泊沉积、热液蚀变等条件下形成。

图2 膨润土成矿模式：1—泥岩、砂质泥岩，2—凝灰岩，3—碎屑凝灰岩，4—安山岩，5—膨润土（图片来源：西部资源）

三、我的身体结构是什么样的？

我的主要成分蒙脱石，是一种层状硅酸盐黏土矿物，它的结构是由两个硅氧四面体（见图3中绿色部分）夹一层铝氧八面体（见图3中黄色部分）组成。在蒙脱石结构单元层中，四面体和八面体片以氧原子相连，Si4+、Al3+分别赋存于四面体和八面体中心，而层间存在一些可交换的阳离子（如钙离子、钠离子、镁离子等；见图3中红色球体）和水，被形象地比喻成“三明治结构”。根据蒙脱石层间阳离子的种类，将我细分为钙基膨润土、钠基膨润土和镁基膨润土等。但是，自然界中最常见的是钙基膨润土和钠基膨润土。

图3 蒙脱石晶体结构示意图

四、我有哪些本领呢？

正是由于这种层状晶体结构，使得我拥有一些特殊的技能。

首先，我具有阳离子交换与吸附的能力。当我溶解在含有其他阳离子（如钠离子、钾离子、铵离子等）的溶液介质当中，层间的阳离子会被等电量的其他阳离子交换，而阳离子交换能力跟介质中的阳离子浓度和阳离子化合价有关。因此，我才能被用作放射性物质的吸附剂、服装印染中的漂白剂等。早在唐代医学名著《本草拾遗》中就有记载：甘土出安西及东京龙门。土底澄取之，洗腻服如灰，水和涂衣，去油垢。因文中记载的功能与我十分相似，人们认为我就是甘土，这表明我在古代就已被勤劳而智慧的人民用来洗衣服。

其次，我具有吸水膨胀的能力。因为我的层状晶体结构是由静电作用力维持，而这种作用力并不是十分牢固，当我分散在水介质中时，由于渗透压作用，介质中水分子会被我吸入层间，使层间的距离增加，从而导致我的体积膨胀变大。我最大的吸水量可为自身体积的8~15倍，体积膨胀倍数最高可达30余倍。由于我的超强吸水膨胀本领，因而能作为钻井液最常见的一种造浆材料。

对于钻井液造浆材料，一般使用的是钠基膨润土，而钙基膨润土不能直接用于钻井液。这是因为钙离子对两侧晶层的静电引力相较于钠离子对两侧晶层的静电引力更强，导致其在水介质中的吸水膨胀能力有限，难以形成有较高黏性的悬浮流体。然而，自然界中天然钠基膨润土资源较少，钙基膨润土却占我总量的70~80%。为了更好地利用膨润土资源，北京探矿工程研究所科研人员于20世纪80年代专门对钙基膨润土进行了改性和钠化技术研究，提出采用湿挤法等工艺研发了NV-1人工钠基膨润土，钙基膨润土改性和钠化技术成果曾获省部级科技一等奖，并入选国家技术开发优秀成果。这项技术对于我在钻探工程领域的工业化应用具有非常重大的意义。

这就是我的自我介绍，希望能让大家更加深入地认识和了解我。

（来源：中国地质调查局）

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