会宁县凹凸棒粘土资源开发利用的评价与展望.docx
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会宁县凹凸棒粘土资源开发利用的评价与展望
会宁县凹凸棒粘土资源开发利用的评价与展望
甘肃省会宁县会宁一中孙健
摘要：
凹凸棒石又名坡缕石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。
凹凸棒石粘土有特殊的纤维结构，不同寻常的胶体吸附性能，应用领域广泛。
会宁县土高山乡境内发现了大量的凹凸棒粘土矿，现已初步探明储量6000多万t，分布面积40km2。
据保守的估计，这里至少有１亿t储量。
会宁也将成为世界上最大的凹凸棒石出产地。
本文从凹凸棒的特性、用途及凹凸棒矿床、资源含量、开发投资等多个角度，对会宁县凹凸棒矿产资源的开发利用进行了分析和评价。
联系国内外凹凸棒资源的开发应用状况，对会宁县今后开发凹凸棒资源的方向和所做的工作进行了预测和展望。
希望能对会宁县凹凸棒的开发利用提一些建设性的意见和建议。
关键词：
凹凸棒；粘土；预测；评价；开发利用
EvaluationandProspectofDevelopmentandUtilizationonAttapulgiteClayinHuiningcounty
SunJian
（Collegeofgeographyandenvironmentscience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070）
Abstract:
Atapulgite,alsoknownaspalygorskite,iscrystalhydratedmagnesiumaluminumsilicatewithauniquechainlayerstructure.Attapulgiteclayhasspecialfiberstructure,colloidadsorptionpropertiesandmanyapplicationareas.TherearefoundinalargenumberofattapulgiteclaymineinTugaoshanTownshipHuiningCounty,provedreservesofofattapulgiteclayismore6×107t,distributionarea40km2.Accordingtoaconservativeestimate,thereareatleast108treserves.Huiningcountywillalsobecomethelargestareaofpalygorskiteinworld.Basedonthecharacteristics,application,deposit,content,developmentinvestmentofattapulgiteclay,thepaperanalyzedandevaluateddevelopmentandutilizationonattapulgiteclayinHuiningcounty.Accordingtothedevelopmentandapplicationofattapulgiteclayinandoutofourcountry,forecastsandprospectsdevelopmentdirectionandtheworkdoneofattapulgiteresource.WehopeitcanlendsomeconstructiveadvicesandsuggestionsofdevelopmentandutilizationonattapulgiteclayinHuiningcounty.
Keywords:
Attapulgite;Clay;Forecast;Evaluation;Developmentandutilization
1引言
凹凸棒石在矿物学分类上隶属于海泡石族，为含水的层链状镁质硅酸盐[1]。
1862年俄国学者隆夫钦科夫最早于乌拉尔矿区的热液蚀变产物中发现这一矿物并将其命名为坡缕石（Palygorskite）。
法国学者拉巴朗特（J.D.Laporent）于1935年又在美国佐治亚州凹凸堡（Attapulays）和法国莫摩隆（Mormoriron）沉积岩中发现了此种矿物，并命名为凹凸棒石（Attapulgite）。
1982年世界矿物命名委员会认为坡缕石和凹凸棒石两者的晶体结构和晶体化学成份相同，属同一种矿物，并规定为统一的坡缕石。
近年来，在国内外地质文献中，把“坡缕石”和“凹凸棒石”仍视为同义语互用。
在我国有人根据其晶体形貌的差异，把沉积成因的呈土状者称作凹凸棒石，把热液成因的呈绒状、纤维状的称作坡缕石[2]。
会宁县土高山乡境内的上沟、老庄、关家河、大戈岔和野狐泉发现了5个凹凸棒矿点。
距保守的估计，这里至少有1亿t储量。
会宁也将成为世界上最大的凹凸棒石出产地[3]。
“十五”期间，会宁县委、县政府把开发该新型资源作为培育工业产业新的增长点和带动群众脱贫致富的突破口，进行了大量的调查、论证和研究，修通了专用公路，委托地质部门及国内相关科研单位进行了勘查和开发，累计完成投资2000多万元。
现已初步探明储量6000多万t，分布面积40km2。
并已在干燥、吸附、保水、涂料、纳米材料、工业催化剂载体等产品的技术研发领域取得了阶段性成果[4]。
2凹凸棒特性介绍
2.1结构及组成
图1凹凸棒粘土的理想结构示意图[5]
Figure1Attapulgiteclaystructureoftheideal
1940年Bradley首先阐明了凹凸棒土的结构（如图1所示）。
凹凸棒土的典型化学式为Si8Mg5O20（OH）2（OH2）4*4H2O。
据国外矿物分析,凹凸棒土的化学成分质量分数SiO253.61%，Al2O39.29%，Fe2O33.1%，TiO20.39%，MgO13.20%，CaO0.2%，Na2O0.04%，K2O0.25%，H2O19.8%[6]。
国内凹凸棒化学成分质量分数如表1所示。
它是一种具有纤维状或链状结构的水合镁铝硅酸盐，其结构可分为3层，上下两层是硅氧四面体结构，中间是一层M-O-八面体，这些结构单元按方格形式交错排列,构成c轴方向的双链状。
沿a、b轴方向的层状结构。
由于结构中存在晶格置换，故晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+。
凹凸棒土的显微结构包括3个层次：
（1）凹凸棒土的基本结构单元棒晶，棒晶呈针状，长约1Lm，直径0.01Lm（Lm），棒长与直径因产地而异；
（2）由棒晶紧密平行聚集而成的棒晶束；（3）由晶束（也包括棒晶）间相互聚集而形成的各种聚集体（粒径通常在0.01~0.1mm）[7]。
凹凸棒石粘土中主要矿物成分为凹凸棒石、蒙脱石、白云石、伊利石、石英及少量蛋白石等。
表1凹凸棒石的化学成分[8]
Table1thechemicalcompositionofAttapulgite
成分
SiO2
Al2O3
MgO
Fe2O3
Na2O
K2O
CaO
MnO
TiO2
含量（%）
60.50~55.6
10.01~9.80
11.35~10.70
6.70~5.70
0.11~0.05
1.35~0.95
1.95~0.423
0.01~0.005
10.53~11.80
2.2凹凸棒的特性
2.2.1吸附特性
凹凸棒土的吸附性取决于它较大的表面积和表面物理化学结构及离子状态，其吸附作用包括物理吸附及化学吸附，物理吸附的实质是通过范得华力将吸附质分子吸附在凹凸棒土的内外表面，表面积和孔结构是其物理吸附作用的重要指标，晶体结构内部沸石通道的存在赋予了凹凸棒土巨大的内比表面积，同时由于单个晶体呈现细小的棒状、针状和纤维状及较高的表面电荷，在分散时棒状纤维并不保持原先的方位，呈现毡状物无规则的沉淀。
干燥后，它们密集在一起形成大小不均一的次生孔隙。
这一特征使得凹凸棒土的比表面积很高。
此外，晶体内部沸石孔道尺寸大小一致，使其具有分子筛的作用。
凹凸棒土的化学吸附作用是其吸附作用的重要体现，其吸附是基于凹凸棒土的表面可能存在的几种吸附中心。
2.2.2流变学特性
凹凸棒土最重要的特点之一就是在相当低的浓度下可以形成高粘度的悬浮液。
由于凹凸棒土晶体具有与纤维轴平行的良好解理，以及层链状晶体结构和棒状-纤维状的细小晶体外形使得凹凸棒土在外加压力下能够充分的分散，且溶液中晶体受重力影响比受电性影响大，因而在截留液体中形成一种杂乱的纤维网络，这种悬浮液具有非牛顿流体特征。
它的性质取决于凹凸棒土的浓度、剪切力的大小以及pH值。
2.2.3可塑性
粘土的可塑性与它的吸水性有密切的关系。
人们详细研究了凹凸棒土及其他粘土的可塑性及吸水性，当水的质量分数达到其自重的100%时，凹凸棒土达到其塑性极限，因此可以说其塑性指数范围是1~100。
然而,由于组成的变化，塑性指数通常在57~123之间变化。
一般来说，除了蒙脱土以外，凹凸棒土的吸水性及可塑性高于其他粘土。
2.2.4离子交换能力
天然的凹凸棒土的阳离子交换能力（CEC）是相当低的，通常在50mmolP100g粘土以下，大多在20~30mmolP100g粘土之间。
钠凹凸棒土的CEC较高，可达65mmolP100g粘土。
CEC值与粒径的大小也有关系，随着粒径的减小而略有增加。
2.2.5化学特性
凹凸棒土的一个最有价值的特点是它的化学惰性。
凹凸棒土胶体悬浮液受盐的影响很小，电解质如氨水、氢氧化钠、氯化钾无机的磷酸盐对凹凸棒土的影响很小，硝酸和醋酸对凹凸棒土影响不大，高浓度的酸常用作凹凸棒土的漂白剂，加入盐酸还可以提高其吸附性[9]。
3凹凸棒的用途及加工手段
3.1主要用途
（1）食品行业。
凹凸棒石粘土本身无毒，价格低廉且使用效率高，是一种优良的脱色剂，能截留或吸附带色物质和杂质，使用凹凸棒石粘土可替代当前的活性炭和活性白土，用于植物油、动物油脂、明胶等粘稠度较高的产品脱色和精制[10]。
（2）农业。
利用凹凸棒土比表面积大、吸附力强、粘结性好和密度低的特点，可作颗粒农药造粒剂，不仅可以提高颗粒肥料成粒率，增强复混肥的造粒速度，而且造粒强度高，不结块，不返潮，颗粒均匀，表面光滑，色泽度好；利用凹凸棒土生产的农药在土壤中释放缓慢，可以延长药效，粒状和粉状凹凸棒石粘土已广泛用作杀虫剂、杀菌剂、除草剂等的载体。
经过不同的改性后，凹凸棒能有效的吸附水体和土壤中各种有利于农作物生长的营养元素，从而保持并调节土壤肥效。
表2主要展示了耕地的不同土层对各种化学元素的需求指标，根据这个指标确定凹凸棒产品在农业中的指标。
（3）轻工业。
凹凸棒土具有链层状结构，不同于蒙脱土等层状硅酸盐，这种特殊的结构使它具有一些特殊的性能。
但由于受自身亲水性及传统生产工艺的局限，通常凹凸棒土产品粒径大，与聚合物复合往往只能起到填充增量作用，不能发挥其应有的作用，通过机械剪切力可以将凹凸棒土以纳米尺度分散到橡胶中，复合物的性能有很大提高。
将凹凸棒土以纳米尺度填充到塑料制品中将会使材料的性能得以提高，而且还有望得到具有特殊性能如优异的光学性能的纳米复合材料。
（4）建材业。
利用其吸附力大，具有很大的粘合力并且有较好的悬浮、胶体性能,将凹凸棒土和其它纤维等材料一起制成矿棉吸音板,具有防火、装饰、保温、节能、杀菌、吸音和净化空气之功能。
表2凹凸棒石土在农业中的应用指标[11]
Table2attapulgiteclayapplicationinagricultureindicators
应用指标
层次
耕层亚耕层底土层
碳成钙（g/kg）
有机质（g/kg）
全氮（以kg）
全磷（g/kg）
全钾（g/kg）
碱解氮（mg/kg）
速效蒯mg/kg）
缓效钾（nlg/kg）
速效钾（mg/kg）
换t（clnof/kg）
pH（水提〕
0.800
2.710.5
0.280.220.23
1.651.321.2
13.913.8-
2117-
101
9099111051
130109140
29.629.833.8
8.58.38.3
（5）环保。
凹凸棒土的吸附性强，可以用于水的净化及污水处理。
改性凹凸棒土处理同量的含镍废水，凹凸棒土用量小于硫铁矿和改性膨润土，并且适用的pH范围广，效率高，是一种价格低廉的废水处理剂。
活化的凹凸棒粘土净水剂处理印染废水，色度去除率可以达93%以上，COD去除率达74%，每立方米废水处理费用仅为0.15元，压滤渣可再利用。
活化后的凹凸棒土对敌百虫、敌敌畏等有机磷农药废水有吸附净化作用，脱除率可达70%和60%,可以部分取代活性炭，提高净化度和重复利用率，降低吸附剂成本[12]。
（6）采矿业。
利用凹凸棒土具有较强的胶体性能和悬浮性能，并具有较好的热稳定性，在较高温度下无絮凝，适用于深井和地热钻井[13]。
（7）日常用途。
凹凸棒石粘土不仅可作药物的载体，而且还是白喉毒素、细菌和生物碱等的吸附剂；若在烟草中添加适量的凹凸棒石粘土，能吸去大部分对人体有害的烟油；精制后的凹凸棒可作化妆品的原料，其具有优良的平滑性、密合性和通气性，特别适合于粉底胭脂、扑粉、眉目、口红等化妆品、利用其多孔性将芳香性物质（香精、香料）浸渍在其中能制作稳定持续释放6个月以上的缓释芳香剂。
（8）其它行业。
凹凸棒石粘土还可用于凡士林、煤油、燃料油、润滑油、甘油、三酯油等的脱色；凹凸棒原土改性制备的吸附剂用于航空煤油精制，其效果优于活性白土和活性炭，且价格最低；利用凹凸棒土在工作介质中呈惰性，与分子筛不反应，可用作分子筛粘合剂，能降低分子筛磨耗，提高强度，改善外观，提高质量；凹凸棒石粘土能储存太阳能和乙炔；还能制成分析纤维素和类脂用的液相色谱柱填料；在冶金行业可作为铸造型砂粘结剂、铁矿球团粘结剂；凹凸棒石粘土还可用于制备高效吸水剂。
3.2加工手段
我国凹凸棒石粘土虽然发现比国外迟，在国内无先例的情况下，边生产边摸索边检索资料，产品由初加工向深加工发展，根据十多年的实验室试验、工艺试验、生产试验，凹土加工的主要工序大致可以为以下几个主要部分：
（1）磨粉：
目前考虑采用雷蒙机械既可达到所需的粒度，还可向超细方向发展。
（2）碾泥：
用对辊机与挤压机可以达到碾泥的目的，将其结构分散，形成网状，增加孔道，从而提高吸附和悬浮性能。
（3）烘干与焙烧：
凹土的性质与烘干焙烧的温度和时间、速度有密切的关系。
（4）分级与造粒：
随着应用的开发，各种粗颗粒的凹凸棒石粘土的需求越来越大，因此必须在工艺上满足。
（5）表面处理，活化与改性：
凹凸棒石应用非常广泛，在一些特殊应用方面不可直接应用，必须有针对地对凹土进行表面处理与改性以达预期的效果。
（6）精选及深加工：
主要过程为原矿破碎、捣浆、旋流器分选、磁选、漂白、浓缩、过滤、干燥、磨粉、涅合等工艺，以达到精选的目的。
经精加工产品主要应用于洗涤助剂、纸张填料涂料、人造革填料、肥皂助剂、牙膏磨擦剂、钙塑材料、分子筛、染料、高级油漆涂料、印花糊料、蚊香等等。
由于这些应用要求含杂量低、产品纯、细度高，因此必须经过精加工。
4会宁县凹凸棒资源分布及开发评价
4.1会宁地理概况
会宁县位于甘肃省中部，白银市南端，地处北纬35°24′至36°26′，东经104°29′至105°31′之间。
总面积为6439km2，会宁地处西北黄土高原和青藏高原交接地带，土地构造复杂，多以变质岩和花岗岩为基底，其上广泛沉积第三系红层和第四系黄土，局部地段出露石灰系、侏罗系和白垩系地层。
整个地势由东南向西北倾斜，梁峁起伏、沟壑纵横。
全县以祖厉河为基干，分布树枝状沟壑，遍布“V”形深谷。
平均每平方公里土地便有1.07km的沟壑。
总体南高北低，东北角、中西部有海拨2200m的山塬和峰峦。
南部、中部为山地，多属黄土堆积侵蚀长梁、梁峁地貌；北部多为川、塬地，为梁峁顶面残塬和河流切割成的沟谷地阶地貌。
4.2会宁凹凸棒分布情况
会宁县土高山乡境内的上沟、老庄、关家河、大戈岔和野狐泉发现了5个凹凸棒矿点，如图2。
该矿有红色、猪肝色、灰绿色三个品种，含有碘、硒等元素，种类多、品位好。
凹凸棒石矿在土高山乡境内，东北和平川区复兴乡接壤，西北与靖远县高湾乡相接，西南与本县郭城驿、白草塬等乡镇相连，东南与草滩乡相接，矿区范围约30km2。
图2会宁凹凸棒分布图
Figure2TheattapulgitedistributionofHuiNing
凹凸棒石粘土矿床按其成因分为淋滤-热液型和沉积型两类[14]。
淋滤-热液型矿床呈厚度不大的脉状、细脉状、网脉状，产于白云质大理岩、白云岩、蛇纹岩或正长岩、花岗岩的裂隙中。
凹凸棒石结晶度高，纤维长、柔软、有弹性、能剥分但难破碎。
有吸水性能，但在水介质中难分散，不能造浆，所以不能用作泥浆原料，但可作为吸附、填充剂用。
这类矿床矿化范围有的达数十km2，但矿床的规模很小，体积含矿率也不高，工业开采价值不大。
沉积型矿床一般产于构造稳定地区干旱或半旱气候带的内陆碱湖、盐湖盆地、碱性玄武岩盆地、浅海碳酸盐岩台地、潮汐带等地区。
矿体呈层状、似层状、透镜状，矿石为土状、致密块状、碎屑状、结核状，凹凸棒石矿物含量40%~60%，个别达90%以上，伴生矿物有蒙脱石、方解石、石英、蛋白石、燧石、高岭石、海泡石等。
此类矿床区域性矿化面积达数平方公里至数百平方公里，矿床规模大小都有。
在中国，已发现的均为陆相沉积型矿床，海相沉积型矿床尚未见报导。
会宁县凹凸棒粘土矿床属于陆相沉积型矿床。
4.3评价
4.3.1地质评价
（1）储量：
矿区范围约40km2，主要分布在上沟、老庄、关家河、大戈岔和野狐泉等6个矿点，现已初步探明储量6000多万t，距估计，这里至少有1亿t储量。
（2）质量：
上沟矿段含凹凸棒石25~56%，一般＞40%，平均44%。
计算推断的内蕴经济资源量213180t。
老庄矿段含凹凸棒石17~59%，平均34.87%。
计算推断的内蕴经济资源量543312t。
野狐泉矿段含凹凸棒石18~42%，平均26.87%。
计算推断的内蕴经济资源量95480t。
大戈岔、关河等矿点。
因交通相对不便，覆盖层厚，尚未投入大量地质勘探工作，故未计算推断内蕴经济资源量。
平均含量约24%[15]。
（3）开采技术条件
矿区地形：
矿区为海拔在2000~2347m之间的黄土高原区，地形复杂，开矿工程量大，技术要求高。
覆盖层：
上沟矿段矿层出露厚8.65~19.00m，平均16.15m。
老庄矿段矿层出露厚30.87m，野狐泉矿段矿层出露厚10.85m。
4.3.2宏观经济评价
（1）国民经济需求状况：
凹凸棒石中含有以碘（I）、硒（Se）为代表的人体所需生命微量元素14种中的12种，以及植物所需微量营养元素6种。
因其具有独特的物化性质，被广泛的应用与农业、环保、医药、化工、石油、造纸、建材、化妆品等领域。
开发会宁县凹凸棒资源，不仅带动了会宁经济的发展，而且满足了社会对凹凸棒资源的需求，推动社会主义现代化。
（2）土高山矿区建设条件：
根据开采方式设计，现有土高山的交通条件基本可用。
由土高乡政府至矿区的八公里路段、运输工具、劳动力组织等由当地乡政府负责落实，并提供其他配套条件。
（3）交通运输条件：
省道207靖天线公路与郭馋公路在此交汇，距离靖远仅35km。
矿山距郭城驿镇40km。
（4）能源和水源情况：
生产用水有保证，黄河灌区靖远提灌指挥部设在郭城镇。
白银供电局会宁分局在此设署办公，将保证以最优条件供电。
（5）气候和地震：
这里是典型的黄土高原干旱山区，年降雨量不足100mm。
比较干燥；区域海拔较高，光照充足，没有污染。
历史上这里曾经发生过地震，但地壳总体还是比较稳定的，具有开采矿产的条件。
（6）水文地质条件：
由于各矿层均分布在山脊上，各矿层顶底板均不含水，潜水面低，无地下水露头。
大气降水排泄条件良好，开采最低水平面均高出当地侵蚀基准面，故水文地质条件简单。
（7）环境影响情况：
开采矿产资源无疑都会对环境造成影响，例如对地表土层的破坏，容易造成水土流失，尤其在西北内陆地区，还会造成沙尘暴等。
再加上对地下的掏挖回造成地面的塌陷。
这些要求我们在开发利用资源的同时要注意环境的保护。
增加对环境的投入，减少环境破坏[16]。
4.3.3经济评价
在项目建设初期，根据总投资额，对各部分投资额进行了估算。
如表3所示，其中：
项目总投资额为：
3000万元；固定资产投资：
2533.3万元；建设期贷款利息为：
72万元；铺底流动资金为：
395万元。
表3项目投资估算
Table3projectinvestmentestimated
项目
总额（万元）
占比
总投资
固定资产投资
建设期利息
铺底流动资金
3000
2533.3
72
395
84%
2.4%
13.17%
依据矿山现行的技术经济指标,进行总价值评估和总利润评估。
按产品的价格和产量，用公式：
总价值=产品单价×产品产量
进行计算。
对生产期头两年产品投资经营收入进行计算，得到如表4结果。
按10万t/a开采，用公式：
总利润=每吨利润×产品产量[17]
进行计算，初、深产品加工区全部建成投产后，可实现年销售收入7674万元，实现利税3062万元。
4.3.4存在困难
（1）品位低分选提纯困难，凹凸棒平均含量为24%。
（2）交通问题，虽然有开发凹凸棒资源的交通条件，但还存在一定的问题，交通网络的通达性还不够好高，且这里的线路大都崎岖，湾道大，给运输带来极大的不便。
表4产品规划及投资经营收入概算
Table4productplanningandinvestmentoperatingincomeestimates
产品生产期
产品名称
产量（T）
单价（元/T）
总值（万元）
第
一
年
高纯度粉体材料
土壤调理剂
功能性粉体材料
高效农牧业应用材料
高附加值药用材料
原资源性材料
合计
2000
5000
1000
2000
2
5000
15002
1980
920
2100
1320
400000
570
396
460
210
264
80
285
1695
第
二
年
高纯度粉体材料
土壤调理剂
功能性粉体材料
高效农牧业应用材料
高附加值药用材料
合计
3000
6000
2000
6000
5
15005
1980
920
2100
1320
400000
594
552
420
792
200
2558
总计
30007
4253
（3）资金短缺是制约会宁县凹凸棒资源开发利用的最大的瓶颈。
虽然会宁县为了开发凹凸棒资源进行了大力的招商引资，但取得的效果还是有限的。
就目前所拥有的经济实力真正启动开采都是很困难的。
（4）深加工面太窄，加工技术落后。
凹凸棒石粘土的用途是十分广泛，一些发达国家，如美国已经制造出很多的产品，但我国由于科技的落后和经济的贫穷其进展很小。
（5）科学研究赶不上,缺乏科技人员。
凹凸棒石粘土开发利用对人才提出的要求很高,需要的是具备扎实的专业地质知识与化学化工知识的交叉型、复合型人才。
当然也要求通晓世界粘土发展前沿信息,掌握最新粘土开发技术。
4.3.5发展方向
面对以上的困难我们在今后要
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