3.2　蛭石微波膨脹

Marcos等^[3]研究了在800W微波加熱下不同微波暴露時間（10～600s）對蛭石膨脹的影響。用傳統(tǒng)方法加熱蛭石使其膨脹，不易于啟動，條件不易控制，穿透力不強，且效率低。為找到一種效率高、性能優(yōu)良的加熱方式，他們對微波輻射下蛭石樣品結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化進行了探究，稱取已知體積的樣品，將樣品放入微波爐中進行膨脹實驗，并用X射線衍射和SEM對這些變化進行表征。實驗表明，微波輻射蛭石樣品的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，蛭石的各層薄片發(fā)生分離，薄片的層間水分子迅速剝離發(fā)生膨脹，用這種方法降低了制備膨脹蛭石顆粒所需的時間和能量，而且微波加熱一般不會像真空中那樣導(dǎo)致蛭石完全脫水，從圖3-8可以看出，Santa Olalla蛭石的XRD圖與原礦蛭石的圖一致，但是膨脹樣品的反射強度降低了，表明微波照射下蛭石的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。XRD圖譜表明，微波加熱蛭石顆粒膨脹比真空或在1000℃下突然加熱快，具有節(jié)省能源和時間的優(yōu)點。

圖3-8　Santa Olalla蛭石XRD圖（真空壓力=1.4Pa，Santa Olalla蛭石在1000℃下加熱1min）

連云港地區(qū)的蛭石儲量大，但是因其品質(zhì)不高給實際應(yīng)用中帶來了很多困難，采用一般的方法處理，得到的產(chǎn)品膨脹性差，且膨脹率很低，所以迫切需要研究出一種新的技術(shù)來提高當(dāng)?shù)仳问呐蛎浶阅堋O媛媛等^[15]研究了不同工藝參數(shù)對蛭石膨脹倍數(shù)的影響，他們以當(dāng)?shù)仳问鳛檠芯繉ο螅盟℉₂O）和過氧化氫（H₂O₂）對其進行改性處理，然后經(jīng)過微波加熱，再采用XRD和SEM研究改性后的蛭石膨脹倍數(shù)的變化。由圖3-9分析可知，微波加熱經(jīng)5%過氧化氫處理的蛭石，發(fā)生膨脹后，蛭石各個層之間分離的程度比較大，如圖3-9（c）所示，每一層的壁變薄，并且出現(xiàn)了大的氣孔，同樣微波條件下處理經(jīng)水改性的蛭石發(fā)現(xiàn)撐開層數(shù)不多，并且每一層之間的壁很厚，如圖3-9（b）所示，有很多薄片幾乎沒有被撐開，膨脹效果很差。如圖3-10所示，經(jīng)微波加熱處理后，5%H₂O₂改性的蛭石膨脹倍數(shù)最高達(dá)11.7，水分子改性的膨脹蛭石的膨脹性較差，膨脹倍數(shù)為5.3，沒有經(jīng)過任何處理的原礦蛭石在微波作用下膨脹倍數(shù)最差，僅有3.5。由此可知，經(jīng)過氧化氫處理后的蛭石，再經(jīng)微波加熱使其膨脹，得到的膨脹蛭石的膨脹倍數(shù)最高，效果最佳。

圖3-9　連云港蛭石的表面形貌（a）、水改性蛭石膨脹后的表面形貌（b）與5%H₂O₂改性蛭石膨脹后的表面形貌（c）

圖3-10　微波加熱時間對蛭石原料膨脹倍數(shù)和堆積密度的影響（a）、微波加熱時間對水改性蛭石膨脹倍數(shù)和堆積密度的影響（b）與微波加熱時間對5%H₂O₂改性蛭石膨脹倍數(shù)和堆積密度的影響（c）

膨脹蛭石是一種輕質(zhì)材料，具有疏松多孔、比表面積大等特性，為開發(fā)一種成本低且膨脹性能較好的膨脹蛭石吸附劑，解顏巖等^[16]利用蛭石的膨脹性和陽離子交換性，通過化學(xué)-微波法制備了高膨脹率膨脹蛭石（VMT），并利用對比法研究VMT樣品在不同條件下的吸附機理。首先用過氧化氫溶液和二水草酸處理原礦蛭石（R-VMT），微波加熱制備出VMT，用控制變量法對比分析樣品R-VMT和VMT在不同亞甲基藍(lán)（MB）濃度、時間、溶液pH和溫度條件下的吸附效果。實驗表明，如圖3-11（a）所示，隨著MB溶液濃度增加，R-VMT和VMT樣品的吸附量都在增加，但是趨勢不同，它們的去除率都在下降，VMT的去除效果更好。如圖3-11（b）和（c）所示，隨著吸附MB的時間和溶液pH的增加，R-VMT和VMT的吸附速率逐漸達(dá)到穩(wěn)定，但VMT的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于R-VMT。在不同溫度下，如圖3-11（d）所示，R-VMT和VMT的吸附趨勢相反，由此表明化學(xué)-微波法處理得到的膨脹蛭石是一種高效、低成本的良好的吸附劑。

圖3-11　不同條件下R-VMT與VMT樣品對MB的吸附特征

王麗娟^[17]研究了微波法制備膨脹蛭石的效果并分析了其膨脹機理。結(jié)果表明：蛭石在微波條件下有較好的膨脹效果，微波頻率和蛭石粒徑對蛭石微波膨脹有重要的影響，是影響蛭石微波膨脹效果的關(guān)鍵因素。如圖3-12所示，粒徑大的蛭石膨脹效果優(yōu)于粒徑小的蛭石，且蛭石膨脹倍數(shù)隨著微波功率的增加和加熱時間的延長而增大，當(dāng)加熱時間為50s時達(dá)到最大值。在不同微波功率下加熱60s時，原礦蛭石和鹽改性蛭石的膨脹倍數(shù)均隨著微波功率的增加而增大，但鹽改性蛭石的膨脹倍數(shù)均低于原礦蛭石，說明鹽改性不利于微波膨脹。蛭石層間離子對層間水束縛力的差異是改性蛭石膨脹倍數(shù)不同的主要因素。在低功率（200W）以下時，Na⁺對層間水的束縛力較弱，Na型蛭石和原礦蛭石的膨脹率變化趨勢很接近，均隨著功率的增加而急劇增大。而Mg型和Ca型蛭石的層間離子分別結(jié)合有兩層水分子且對水的束縛力很強，在高功率下才能有大的膨脹性，當(dāng)功率大于400W以后，這兩種鹽改性的蛭石的膨脹倍數(shù)增加幅度變大。

圖3-12　1～2mm粒徑蛭石的膨脹倍數(shù)變化圖（a）與鹽改性蛭石的微波膨脹倍數(shù)變化圖（b）

微波法是近年來應(yīng)用的新方法，利用微波直接加熱使蛭石層間水汽化實現(xiàn)膨脹，具有溫度低、能耗小、效率高、膨脹速率快等優(yōu)勢，其應(yīng)用潛力也逐漸凸顯。田維亮等^[14]利用微波法對蛭石膨脹性能的影響進行了研究，結(jié)果表明，粒度是影響蛭石膨脹性能的主要因素。在相同的加熱時間和加熱溫度下，粒度從20目變化至100目時，膨脹率減小極快，在20目時膨脹速率和膨脹率最大，膨脹率可達(dá)到533.3%。但是當(dāng)粒度從100目變化至150目時，膨脹率減小緩慢，膨脹倍數(shù)大約只有1倍。主要原因是當(dāng)顆粒減小時，蛭石的含水量減少。膨脹前隨著顆粒粒度減小，堆積密度從1.29g/mL降到1.02g/mL，膨脹后堆積密度從0.24g/mL增加到1.06g/mL，這是由于蛭石粒度減小，膨脹率減小。當(dāng)微波功率為700W時，反應(yīng)時間為110s，顆粒粒度為20目，微波功率越高，蛭石的膨脹效果越好。