3.2 蛭石微波膨胀
Marcos等[3]研究了在800W微波加热下不同微波暴露时间（10～600s）对蛭石膨胀的影响。用传统方法加热蛭石使其膨胀，不易于启动，条件不易控制，穿透力不强，且效率低。为找到一种效率高、性能优良的加热方式，他们对微波辐射下蛭石样品结构上发生的变化进行了探究，称取已知体积的样品，将样品放入微波炉中进行膨胀实验，并用X射线衍射和SEM对这些变化进行表征。实验表明，微波辐射蛭石样品的结构发生了变化，蛭石的各层薄片发生分离，薄片的层间水分子迅速剥离发生膨胀，用这种方法降低了制备膨胀蛭石颗粒所需的时间和能量，而且微波加热一般不会像真空中那样导致蛭石完全脱水，从图3-8可以看出，Santa Olalla蛭石的XRD图与原矿蛭石的图一致，但是膨胀样品的反射强度降低了，表明微波照射下蛭石的结晶度和结构发生了变化。XRD图谱表明，微波加热蛭石颗粒膨胀比真空或在1000℃下突然加热快，具有节省能源和时间的优点。
图3-8 Santa Olalla蛭石XRD图（真空压力=1.4Pa，Santa Olalla蛭石在1000℃下加热1min）
连云港地区的蛭石储量大，但是因其品质不高给实际应用中带来了很多困难，采用一般的方法处理，得到的产品膨胀性差，且膨胀率很低，所以迫切需要研究出一种新的技术来提高当地蛭石的膨胀性能。孙媛媛等[15]研究了不同工艺参数对蛭石膨胀倍数的影响，他们以当地蛭石作为研究对象，利用水（H2O）和过氧化氢（H2O2）对其进行改性处理，然后经过微波加热，再采用XRD和SEM研究改性后的蛭石膨胀倍数的变化。由图3-9分析可知，微波加热经5%过氧化氢处理的蛭石，发生膨胀后，蛭石各个层之间分离的程度比较大，如图3-9（c）所示，每一层的壁变薄，并且出现了大的气孔，同样微波条件下处理经水改性的蛭石发现撑开层数不多，并且每一层之间的壁很厚，如图3-9（b）所示，有很多薄片几乎没有被撑开，膨胀效果很差。如图3-10所示，经微波加热处理后，5%H2O2改性的蛭石膨胀倍数最高达11.7，水分子改性的膨胀蛭石的膨胀性较差，膨胀倍数为5.3，没有经过任何处理的原矿蛭石在微波作用下膨胀倍数最差，仅有3.5。由此可知，经过氧化氢处理后的蛭石，再经微波加热使其膨胀，得到的膨胀蛭石的膨胀倍数最高，效果最佳。
图3-9 连云港蛭石的表面形貌（a）、水改性蛭石膨胀后的表面形貌（b）与5%H2O2改性蛭石膨胀后的表面形貌（c）
图3-10 微波加热时间对蛭石原料膨胀倍数和堆积密度的影响（a）、微波加热时间对水改性蛭石膨胀倍数和堆积密度的影响（b）与微波加热时间对5%H2O2改性蛭石膨胀倍数和堆积密度的影响（c）
膨胀蛭石是一种轻质材料，具有疏松多孔、比表面积大等特性，为开发一种成本低且膨胀性能较好的膨胀蛭石吸附剂，解颜岩等[16]利用蛭石的膨胀性和阳离子交换性，通过化学-微波法制备了高膨胀率膨胀蛭石（VMT），并利用对比法研究VMT样品在不同条件下的吸附机理。首先用过氧化氢溶液和二水草酸处理原矿蛭石（R-VMT），微波加热制备出VMT，用控制变量法对比分析样品R-VMT和VMT在不同亚甲基蓝（MB）浓度、时间、溶液pH和温度条件下的吸附效果。实验表明，如图3-11（a）所示，随着MB溶液浓度增加，R-VMT和VMT样品的吸附量都在增加，但是趋势不同，它们的去除率都在下降，VMT的去除效果更好。如图3-11（b）和（c）所示，随着吸附MB的时间和溶液pH的增加，R-VMT和VMT的吸附速率逐渐达到稳定，但VMT的吸附量远远高于R-VMT。在不同温度下，如图3-11（d）所示，R-VMT和VMT的吸附趋势相反，由此表明化学-微波法处理得到的膨胀蛭石是一种高效、低成本的良好的吸附剂。
图3-11 不同条件下R-VMT与VMT样品对MB的吸附特征
王丽娟[17]研究了微波法制备膨胀蛭石的效果并分析了其膨胀机理。结果表明：蛭石在微波条件下有较好的膨胀效果，微波频率和蛭石粒径对蛭石微波膨胀有重要的影响，是影响蛭石微波膨胀效果的关键因素。如图3-12所示，粒径大的蛭石膨胀效果优于粒径小的蛭石，且蛭石膨胀倍数随着微波功率的增加和加热时间的延长而增大，当加热时间为50s时达到最大值。在不同微波功率下加热60s时，原矿蛭石和盐改性蛭石的膨胀倍数均随着微波功率的增加而增大，但盐改性蛭石的膨胀倍数均低于原矿蛭石，说明盐改性不利于微波膨胀。蛭石层间离子对层间水束缚力的差异是改性蛭石膨胀倍数不同的主要因素。在低功率（200W）以下时，Na+对层间水的束缚力较弱，Na型蛭石和原矿蛭石的膨胀率变化趋势很接近，均随着功率的增加而急剧增大。而Mg型和Ca型蛭石的层间离子分别结合有两层水分子且对水的束缚力很强，在高功率下才能有大的膨胀性，当功率大于400W以后，这两种盐改性的蛭石的膨胀倍数增加幅度变大。
图3-12 1～2mm粒径蛭石的膨胀倍数变化图（a）与盐改性蛭石的微波膨胀倍数变化图（b）
微波法是近年来应用的新方法，利用微波直接加热使蛭石层间水汽化实现膨胀，具有温度低、能耗小、效率高、膨胀速率快等优势，其应用潜力也逐渐凸显。田维亮等[14]利用微波法对蛭石膨胀性能的影响进行了研究，结果表明，粒度是影响蛭石膨胀性能的主要因素。在相同的加热时间和加热温度下，粒度从20目变化至100目时，膨胀率减小极快，在20目时膨胀速率和膨胀率最大，膨胀率可达到533.3%。但是当粒度从100目变化至150目时，膨胀率减小缓慢，膨胀倍数大约只有1倍。主要原因是当颗粒减小时，蛭石的含水量减少。膨胀前随着颗粒粒度减小，堆积密度从1.29g/mL降到1.02g/mL，膨胀后堆积密度从0.24g/mL增加到1.06g/mL，这是由于蛭石粒度减小，膨胀率减小。当微波功率为700W时，反应时间为110s，颗粒粒度为20目，微波功率越高，蛭石的膨胀效果越好。