作者：马明财，牟斌，王爱勤（中国科学院兰州化学物理研究所）
1995年，在甘肃临泽县北部的戈壁滩上，地质工作者发现了一种储量巨大的凹凸棒石黏土矿。然而，由于矿石色泽杂乱，被视为“低品位矿”，长期以来只是通过磨粉后当作廉价肥料的添加剂或土壤改良剂，未能得到高值化利用。
近年来，随着科学技术的快速发展，科学家们利用先进的表征手段逐步揭开了这片杂色黏土的神秘面纱。通过深究矿物的结构属性和材料特征，使其从“丑小鸭”蜕变为“白天鹅”，如今已在饲料、涂料、颜料、塑料和新材料等领域崭露头角。
解码“丑小鸭”的微观世界
凹凸棒石（又名坡缕石）是一种天然形成的纳米结构黏土矿物，具有纳米棒晶形貌（直径约20~70nm，长度约1~5μm）、规整纳米孔道（0.37nm × 0.64nm）和表面活性基团，属稀有非金属矿产。目前，全球仅在少数国家发现可工业化矿床，我国已发现矿床主要分布在甘肃临泽、江苏盱眙、安徽明光等地。其中，仅甘肃临泽探明资源储量达13.5亿吨，远景储量约34亿吨。
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
要揭开杂色凹凸棒石黏土的神秘面纱，还得认知这片黏土矿物的微观世界。发育理想的高纯凹凸棒石为三八面体结构，其八面体位点完全被镁离子占据。但甘肃凹凸棒石矿属于内陆咸水湖相沉积成因：一方面，八面体位点中的镁离子被其他金属离子（铁、锰、铜等致色离子）部分替代，使其呈现砖红、土黄、灰绿等不同色泽；另一方面，除一维凹凸棒石外，还伴生伊利石、绿泥石、高岭石和伊蒙混层等二维层状黏土矿物。此外，矿石中富含锌、硒、硼、锶等20多种动植物生长必需和有益的微量元素。
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
过去，人们只关注矿石中凹凸棒石含量的高低和色泽的多样性，因此给它贴上了“低品位”的标签。但科学家们转变了思路：既然这是大自然赋予的天然黏土矿物组合，何不把整个“矿物家庭”的潜能都激发出来？于是，作者团队从“全矿物利用”和矿物材料维度视角，将其定义为“混维凹凸棒石黏土”，并提出转白是工业化利用的前提、纳米化是功能应用的关键、全矿物利用是产业发展的重点——一步步助力“丑小鸭”实现逆袭。
重塑“丑小鸭”的英雄本色
要实现杂色混维凹凸棒石黏土的高值化利用，首先要解决“颜值”问题——转白，即去除致色金属离子，提高白度。以最常见的砖红色混维凹凸棒石黏土为例，主要“元凶”便是三价铁离子。
实现转白主要有两条路径：一是还原转白，即改变八面体中致色离子的价态，将三价铁还原为二价铁。利用还原性物质通过溶剂热和水热等手段，可以实现结构性转白，但该过程耗时长、成本高，不具备经济价值。
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
二是酸蚀转白，即用酸把致色离子从八面体结构中溶蚀出来。无机酸虽能溶出铁离子，却会损伤凹凸棒石的纳米棒晶结构，影响其宏观应用性能。作者团队利用有机酸兼具酸解与络合双重作用的特性——如同一把带有“分子钳”的精密工具，能选择性地溶出并带走三价铁，同时对凹凸棒石的纳米棒晶结构和伴生矿物几乎不造成损伤。基于经济性，团队进一步发展出更高效环保的“半干法梯度转白”技术，尤其借助微波辅助实现了快速结构性转白，为功能材料构筑奠定了原料基础。
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
激活“丑小鸭”的纳米潜能
天然产出的混维凹凸棒石黏土中，凹凸棒石纳米棒晶常像“鸟巢”或“柴垛”一样紧紧聚集形成棒晶束；共生的二维黏土矿物片层则呈堆积状态。若不解开棒晶束和堆积片层，其纳米特性就无法充分发挥——这也是困扰行业多年的共性技术瓶颈。
多年来，研究者采用高速搅拌、超声、对辊、碾磨和冷冻等传统方法，对凹凸棒石棒晶束和二维片层黏土矿物进行了解离和剥片研究，但传统方法只能部分解离棒晶束和剥离片层。对此，作者团队采用高压均质技术产生的空穴效应，不仅在保持凹凸棒石固有长径比的前提下，有效解离了棒晶束，还不损伤片层固有形貌，实现了二维片层的有效剥离。
在此基础上，团队发展出“三辊处理—制浆提纯—超声处理—压滤脱水—强力干燥”一体化纳米化工艺，高效实现了一维棒晶束解离和二维伴生矿物剥片，并获得了高度分散且具有天然异质结构的混维纳米粉体——让被束缚的纳米潜能得以真正释放。
混维凹凸棒石黏土纳米化示意图及纳米化前后透射电镜照片
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
实现“丑小鸭”的华丽蜕变
混维凹凸棒石黏土的结构性转白和纳米化实现了矿物向纳米材料的华丽蜕变，那么蜕变后的纳米异质结构特性能做什么？
在高分子材料领域，将混维纳米粉体加入聚乳酸基体中，通过熔融共混可使聚乳酸由脆性材料转变为韧性材料。一维纳米棒和二维纳米片就像混凝土中的“钢筋”，能有效改善高分子材料的结晶行为和机械性能。研究证实，混维纳米粉体性能优于单一矿物纳米粉体。如今，混维纳米粉体已在工程塑料、包装材料和隔膜材料等领域得到了应用验证。
在医药领域，将混维凹凸棒石黏土引入水凝胶体系，利用其吸附作用可实现药物的有效缓释。利用天然植物提取物做“媒介”，可将银、硒、氧化锌、氧化铜等抗菌金属纳米粒子牢牢“长”在混维凹凸棒石黏土上，有效防止了纳米粒子团聚，使其尺寸从约200nm降至5nm以下，显著提升了耐药菌的抗菌性能。天然异质结构纳米粉体与血液接触时能产生“棒片协同”增效作用，加速凝血过程，为开发新型止血材料提供了新思路。
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
在新型应用领域，矿物学与化学、材料学、环境科学等多学科的交叉融合，有效促进了混维凹凸棒石黏土从土壤修复和肥料助剂等传统应用，逐步拓展至储能材料、智能传感材料、功能涂层、防腐材料和催化材料等高端领域，进一步凸显了混维纳米粉体的载体性能和增韧补强性能。
为了实现全矿物资源化利用，作者团队还将目光投向了工艺过程中产生的“副产品”。混维凹凸棒石黏土酸蚀转白后的洗涤液中，富含镁、铝、铁等金属离子。以此为金属源，合成了层状双氢氧化物（LDHs）和金属有机框架（MOFs）等高附加值吸附材料。将吸附有机污染物后的LDHs经无氧煅烧转化为黏土矿物生物炭，最终回归大地用作土壤改良剂，践行了“源于自然、用于自然、融于自然”的理念。
废液被“吃干”了，固体废料也不能放过。混维凹凸棒石黏土矿伴生5-30%的石英砂，在提纯过程中被分离出来成为尾矿废料。作者团队以其为基材，通过“包覆”工艺制备了高性能钴蓝颜料，石英砂用量可达60%，而颜料性能与高纯钴蓝颜料相当。进一步通过掺杂镁、钙等离子，不仅减少了昂贵金属钴的用量，还提升了颜料的色彩饱和度，为黏土矿物石英砂的利用开辟了新途径，实现了“变废为宝”。
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
至此，围绕混维凹凸棒石黏土的高值利用，作者团队已初步构建起“石英砂分离-酸蚀转白-粉体纳米化-功能材料构筑-酸蚀废液再利用-黏土矿物生物炭-石英砂再利用”的综合利用体系，环环相扣，几乎将每一份资源都“吃干榨净”，为我国混维凹凸棒石黏土的高效和高值利用提供了技术发展路径。
甘肃混维凹凸棒石黏土的高效开发，不仅解决了地方产业痛点，更为全球低品位非金属矿资源高值利用提供了创新范式。这一实践印证：自然界没有绝对的低品位矿，只有尚未解锁的高价值属性——当科学目光穿透表象，平凡黏土也能书写科技传奇。
参考文献：
[1] 王爱勤, 牟斌, 张俊平, 王文波, 朱永峰. 凹凸棒石新型功能材料及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2021.
[2] 王爱勤, 卢予沈, 牟斌, 张弘, 汪琴, 惠爱平. 混维凹凸棒石黏土全矿物利用研究现状与展望[J]. 科学通报, 2022, 67(28): 3411-3424.
[3] 卢予沈, 牟斌, 惠爱平, 杨芳芳, 王爱勤. 混维凹凸棒石黏土应用现状与前景展望[J]. 矿产保护与利用, 2023, 43(1): 1-13.
[4] 王爱勤, 卢予沈, 牟斌, 康玉茹. 学科交叉助力混维结构特征黏土资源高效利用, 科学通报, 2026, 71(16): 3715-3728.
