13膨潤(rùn)土解析.ppt

第13章蒙脫石和膨潤(rùn)土 montmorillonite and bentonite 一 概述1 膨潤(rùn)土 是一種以蒙脫石為主要礦物的粘土巖 蒙脫石含量一般在40 90 還含有長(zhǎng)石 石英 伊利石 沸石 高嶺石 云母等礦物 2 最早于1888年在美國(guó)懷俄明州羅克河 RockRiver 附近的泰勒 Taylor 地區(qū)發(fā)現(xiàn)并開(kāi)采 后由Knight 1898 正式命名 3 膨潤(rùn)土與斑脫巖 taylorite 膨土巖同義 4 在工業(yè)領(lǐng)域 用做漂白劑和吸附劑的膨潤(rùn)土被稱為漂白土 fuller searth 5 膨潤(rùn)土的分類1 高膨脹 鈉型 膨潤(rùn)土 可交換陽(yáng)離子以Na 離子為主 遇水高度膨脹 且形成膠體 2 低膨脹 鈣型 膨潤(rùn)土 可交換陽(yáng)離子以Ca2 離子為主 與水混合膨脹能力較低 略大于普通粘土 且崩解為顆粒 3 中膨脹 過(guò)渡型或混合型 膨潤(rùn)土 可交換陽(yáng)離子為Na 和Ca2 膨脹能力中等 與水混合形成的膠體比鈉型膨潤(rùn)土低 6 顏色 膨潤(rùn)土的顏色有白色 黃色 橄欖綠色 棕色和藍(lán)色等 7 顆粒形態(tài) 蒙脫石礦物顆粒極細(xì) 屬膠體級(jí) 在電子顯微鏡下呈絨毛狀或絨毛氈狀 通常呈土狀或塊狀集合體 8 莫氏硬度1 2 9 密度2 3g cm3 10 蒙脫石受熱變化1 100 300 之間 脫出吸附水和層間水 2 600 700 之間 析出結(jié)構(gòu)水 OH 3 800 900 之間 結(jié)構(gòu)破壞 4 900 之后 形成新礦物尖晶石 石英等 11 蒙脫石的化學(xué)式Ex H2O n Al2xMgx 2 Si Al 4O10 OH 2 1 四面體中由Si和少量Al Fe Ti占據(jù) 2 八面體主要被Al占據(jù) Mg Fe Zn Ni Li Cr等可代替Al 3 二價(jià)陽(yáng)離子代替三價(jià)陽(yáng)離子是產(chǎn)生層間電荷的主要原因 4 為層間陽(yáng)離子 主要為Ca2 Na 其次有K Li 等 5 x表示 為一價(jià)陽(yáng)離子時(shí)單位化學(xué)式的層電荷數(shù) 一般在0 2 0 6之間 12 層間水與結(jié)構(gòu) 性能的關(guān)系 1 層間水的含量取決于層間陽(yáng)離子的種類及環(huán)境溫度和濕度 2 水分子是以層的形式吸附于結(jié)構(gòu)層之間 最多可達(dá)四層 3 水分子數(shù) n 水分子層數(shù)和d001間的關(guān)系為 n 0 28142026水分子層數(shù) 01234d001 nm 0 961 251 551 852 05 4 鈣蒙脫石以兩層水分子最穩(wěn)定 5 鈉蒙脫石可有1 2 3層水分子 層間陽(yáng)離子為K 時(shí) 吸水性最差 6 吸水性除與層間陽(yáng)離子種類有關(guān)外 還與層電荷的位置有關(guān) A 層電荷來(lái)自八面體片時(shí) 吸水性強(qiáng) B 來(lái)自四面體片時(shí) 吸水性弱 二 工藝技術(shù)特性1 表面電性 由3類電荷貢獻(xiàn) 1 層電荷 單位晶胞最多可達(dá)0 6 不受介質(zhì)pH值的影響 這是蒙脫石表面負(fù)電性的主要原因 2 破鍵電荷 產(chǎn)生于四面體片的基面和四面體片 八面體片的端面 系Si O破鍵和Al O OH 破鍵的水解作用所致 pH 時(shí) 破鍵吸引H 帶正電 pH 時(shí) 帶負(fù)電 3 八面體片中離子離解形成的電荷 A 在酸性介質(zhì)中 OH 或AlO33 離解占優(yōu)勢(shì) 端面荷正電 B 堿性介質(zhì)中 Al3 離解占優(yōu)勢(shì) 端面荷負(fù)電 C pH值約9 1為等電點(diǎn) 2 膨脹性吸水或吸附有機(jī)物后 晶層底面間距增大 體積膨脹 1 高水化狀態(tài)的蒙脫石 c0可達(dá)1 84 2 14nm 2 吸附有機(jī)分子時(shí) c0最大可達(dá)約4 8nm 3 含二價(jià)層間陽(yáng)離子的蒙脫石處在塑性體 流體過(guò)渡階段時(shí) 比含一價(jià)陽(yáng)離子的蒙脫石水化能高 吸水速度快 吸水量大 膨脹性也大 4 進(jìn)入分散狀態(tài)成為流體時(shí) 吸水膨脹性能受晶胞的離解程度制約 A 含二價(jià)層間陽(yáng)離子的蒙脫石晶胞的離解程度比含一價(jià)層間陽(yáng)離子者晶胞的離解程度低 吸水量小 吸水率低 B 鈣蒙脫石的吸水率和膨脹倍數(shù)大大低于鈉蒙脫石 a 鈉蒙脫石的膨脹倍數(shù)高達(dá)20 30倍 b 鈣蒙脫石僅幾倍至十幾倍 3 懸浮性和造漿性蒙脫石在水介質(zhì)中能分散成膠體狀態(tài) 受分散相的顆粒大小和形態(tài)控制 1 懸浮 凝聚的形式 蒙脫石晶體表面不同部位的電荷多樣性以及顆粒的不規(guī)則性 使蒙脫石顆粒之間有不同的聚集形式 A 在分散液中添加大量金屬陽(yáng)離子 將降低蒙脫石晶層面的電動(dòng)電位 產(chǎn)生面 面型聚集 使分散相的表面積和分散度減小 在堿性分散液中更易發(fā)生 B 在酸性分散液中 若外來(lái)金屬陽(yáng)離子干擾少或沒(méi)有干擾時(shí) 蒙脫石晶體帶正電荷的端面與晶層面組成面 端型絮凝 C 在中性分散液中 端面沒(méi)有雙電層 是端 端絮凝 D 絮凝體的骨架包含大量的水 在濃厚的分散液中 當(dāng)絮凝發(fā)展到整個(gè)體系時(shí) 即成凝膠 E 較稀薄的蒙脫石分散液 當(dāng)吸附聚積發(fā)展到一定程度時(shí) 顆粒增大 產(chǎn)生沉淀 2 鈉蒙脫石 鈉蒙脫石遇水膨脹可形成永久性乳濁液或懸浮液 這種懸浮液具有一定的粘滯性 觸變性和潤(rùn)滑性 3 鈣蒙脫石 膨脹性較小的鈣蒙脫石在水中雖可以迅速分散 但一般會(huì)很快絮凝沉淀 4 造漿性 蒙脫石的造漿性不及坡縷石和海泡石 A 鈉蒙脫石的造漿率約為10m3 t B 鈣蒙脫石的造漿率較低 4 陽(yáng)離子交換性和吸附性陽(yáng)離子交換能力主要與層間陽(yáng)離子的種類有關(guān) 也受蒙脫石的粒度 結(jié)晶度 介質(zhì)性質(zhì)等因素影響 1 在pH 7的水介質(zhì)中 陽(yáng)離子交換容量為70 140mmol 100g 相當(dāng)于每個(gè)晶胞帶0 5 個(gè)靜電荷 主要是層間陽(yáng)離子的交換 2 晶體端面所吸附的離子也具可交換性 且隨顆粒變細(xì)而增大 3 以蒙脫石為主的白色粘土 pH 稱酸性白土 脫色率可達(dá)100 活化處理可增強(qiáng)其吸附性和脫色性 5 熱穩(wěn)定性A 加熱至200 700 出現(xiàn)緩慢的膨脹 B 700 800 時(shí)有一急劇膨脹過(guò)程 生成無(wú)水蒙脫石 接著有一個(gè)較大的收縮 C 950 又重新開(kāi)始膨脹 D 鈉蒙脫石 a 加熱至100 后 陽(yáng)離子交換容量略有增加 b 100 300 后 陽(yáng)離子交換容量略顯降低 c 390 490 失去膨脹性 陽(yáng)離子交換容量降低為39mmol 100g左右 E 鈣蒙脫石相對(duì)鈉蒙脫石約低100 每個(gè)階段 F 差熱分析a 80 250 吸熱谷 是脫去層間水和吸附水的結(jié)果 鈉蒙脫石脫水溫度相對(duì)較低 只有一個(gè)吸熱谷 鈣蒙脫石的脫水溫度較高 且有兩個(gè)吸熱谷 b 600 700 吸熱谷 因結(jié)構(gòu)水 OH 脫出而產(chǎn)生 c 800 935 吸熱谷 是由于晶格完全破壞所致 d 935 之后有一放熱峰 是非晶相的結(jié)晶作用所引起 6 可塑性和粘結(jié)性1 蒙脫石具有良好的可塑性 其塑限和液限值 即蒙脫石呈可塑狀態(tài)時(shí)的下限和上限含水量 均大大高于高嶺石和伊利石 可達(dá)83 250 2 蒙脫石成型后發(fā)生變形所需的外力較其它粘土礦物小 3 蒙脫石的可塑性與層間可交換性陽(yáng)離子種類 水分子層的厚度 顆粒形態(tài)及粒度有關(guān) 4 鈉蒙脫石粘土具有優(yōu)良的粘結(jié)性 鈣蒙脫石粘土的粘結(jié)性較差 三 工業(yè)應(yīng)用與技術(shù)要求 一 懸浮劑膨潤(rùn)土與水混合形成的懸浮液 可用于鉆井泥漿 阻燃物 煤的懸浮分離等 1 泥漿原料 膨潤(rùn)土鉆井泥漿 特別是鈉型膨潤(rùn)土泥漿 具有失水量少 含砂少 密度低 粘度好 性質(zhì)穩(wěn)定 固壁能力強(qiáng) 鉆具回轉(zhuǎn)阻力小等優(yōu)點(diǎn) 可提高鉆井效率 降低成本 2 滅火劑 由膨潤(rùn)土制成的懸浮液 具有粘度大 覆蓋能力強(qiáng) 不燃燒等特點(diǎn) 用于滅火噴射到燃燒物上 可形成覆蓋薄膜 隔絕空氣 迅速滅火 3 質(zhì)量要求 鉆井泥漿原料 1 粘度 22 5g膨潤(rùn)土與350mL蒸餾水制成懸浮液 粘度計(jì)轉(zhuǎn)速600r min 粘度計(jì)讀數(shù) 30 2 濕篩分殘余量 2 5 測(cè)定方法為 10g膨潤(rùn)土與350mL蒸餾水混合 加0 2g分散劑制成懸浮液 攪拌 陳化 再攪拌 用配有特制噴霧系統(tǒng)的200目的物理篩洗滌過(guò)濾 對(duì)篩上殘余進(jìn)行干燥 稱重 計(jì)算殘余比例 殘余物與原膨潤(rùn)土質(zhì)重之比 3 水分 10 二 冶金工業(yè)粘結(jié)劑膨潤(rùn)土是冶金工業(yè)鐵礦球團(tuán)和鑄造業(yè)型砂的良好粘結(jié)劑 1 冶金工業(yè)使用的鐵礦粉 粒度大約在300 500目之間 必須加工成熟料方可進(jìn)入高爐煉鐵 生產(chǎn)熟料的主要方法為球團(tuán)法 球團(tuán)礦的質(zhì)量在很大程度上取決于粘結(jié)劑 鈉質(zhì)膨潤(rùn)土是國(guó)外使用最多 效果最好的粘結(jié)劑 由其制作的球團(tuán)大小均勻 透氣性和還原性好 可以保證高爐燃燒均勻 降低熔劑和焦炭消耗和成本提高煉鐵效率和質(zhì)量 2 鑄型砂的粘結(jié)劑用鈉質(zhì)蒙脫石作鑄型砂的粘結(jié)劑 可有效解決砂型坍塌問(wèn)題 并可提高模具的抗壓 抗拉強(qiáng)度等綜合性能好 可提高鑄件質(zhì)量和成品率 降低生產(chǎn)費(fèi)用 3 質(zhì)量要求美國(guó)鋼鐵鑄造協(xié)會(huì)規(guī)定 型砂用膨潤(rùn)土的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到 含水量6 12wB pH值 8 2 CaO含量 0 70wB 三 吸附劑和凈化劑性質(zhì) 膨潤(rùn)土吸附性強(qiáng) 無(wú)毒 無(wú)味 1 用于食物油的精制 脫色 濾毒 2 凈化汽油 煤油 特殊礦物油 石蠟等工業(yè)產(chǎn)品 3 膨潤(rùn)土對(duì)放射性物質(zhì)銫 銣等具有較強(qiáng)的吸附和固定作用 可用于放射性物質(zhì)廢渣的處理 4 經(jīng)過(guò)處理的膨潤(rùn)土 可用于含油廢水 含菌廢水的凈化 也可吸附懸浮物 4 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 1 中國(guó) 浙江產(chǎn)吸附脫色用膨潤(rùn)土 脫色力 110 游離酸 以H2SO4計(jì) 0 2 200目顆粒95 水分10 2 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)比表面積300 m2 g 游離酸 以KOHmg g計(jì) 4 8 100目100 200目95 300目78 水分15 過(guò)濾速度 mL min 38 吸油率35 四 填加劑1 造紙?jiān)现刑砑优驖?rùn)土 可使紙漿脫色增白 使紙張潔白柔軟 2 肥皂和洗衣粉中添加膨潤(rùn)土 可有效吸附污物和細(xì)菌 提高洗劑效果 3 膨潤(rùn)土用作涂料填料 可改善涂料的涂敷性 附著性 掩蓋性 平整性 耐水性 耐洗性等 優(yōu)化涂料性能 還可降低成本 4 在雞飼料中添加2 3 的膨潤(rùn)土 肉雞平均增重6 7 蛋雞產(chǎn)蛋率平均提高13 8 蛋重平均提高5 47 蛋料比提高12 18 五 稠化劑1 性質(zhì) 膨潤(rùn)土稠化劑是一種有機(jī)蒙脫石復(fù)合物 是由有機(jī)陽(yáng)離子取代蒙脫石中可交換陽(yáng)離子后得到的 具有抗壓性強(qiáng) 抗水性好 膠體安定性好等特點(diǎn) 2 應(yīng)用 A 有機(jī)蒙脫石是制造潤(rùn)滑脂 橡膠 塑料 油漆等產(chǎn)品的重要原料 B 膨潤(rùn)土潤(rùn)滑脂是一種高溫脂 使用溫度寬 從負(fù)幾十度到正一百多度 抗擠壓性強(qiáng) 抗水性好 安定性好 使用壽命長(zhǎng) 常用于大型噴氣客機(jī) 戰(zhàn)斗機(jī) 坦克 冶金高溫設(shè)備 合成纖維設(shè)備等高溫 高負(fù)荷摩擦部件的潤(rùn)滑劑 六 工業(yè)用淀粉替代品膨潤(rùn)土的許多性質(zhì)與淀粉相似 可代替糧食用于生產(chǎn)漿糊 用于漿紗 印染等方面 既可節(jié)約糧食 也可降低成本 由膨潤(rùn)土漿紗 還具有紗線順直 潔凈 不起毛 上漿后不發(fā)臭等優(yōu)點(diǎn) 七 其他用途1 將適量膨潤(rùn)土撒入干旱沙土地 可有效吸收儲(chǔ)存水分 有利于土壤保墑 2 膨潤(rùn)土對(duì)肥料和農(nóng)藥的吸附 可減緩肥效 藥效釋放 發(fā)揮長(zhǎng)效作用 提高使用效益 3 膨潤(rùn)土用作陶瓷坯體和釉原料 可提高成品白度 4 與水泥混合使用 可改善水泥性能 用于充填水池 水壩 下水道的裂隙 堵漏性能好 5 可用作禽畜糞便除臭 用作鉛筆芯粘合劑等 6 改性后的交聯(lián)蒙脫石可用以制備具裂化性能的分子篩 用于石油化工領(lǐng)域 7 以膨潤(rùn)土為主要原料 可生產(chǎn)合成沸石 用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)洗滌劑中的三聚磷酸鈉 可大大減少洗滌廢水中殘余磷對(duì)地表水的污染 8 鋁柱撐蒙脫石可用于除去飲用水中的F 9 經(jīng)中性表面活性劑改性處理后 可有效吸附氯代苯酚 四 膨潤(rùn)土和蒙脫石的改性1 鈉化處理Ca Mg 膨潤(rùn)土 Na2CO3Na 膨潤(rùn)土 Ca Mg CO3目的 提高膨潤(rùn)土的吸水率 膨脹容積 陽(yáng)離子交換容量 分散性 熱穩(wěn)定性 2 酸化處理膨潤(rùn)土 硫酸或鹽酸 目的 溶解原礦中的雜質(zhì) 提高比表面積和不飽和電荷 吸附能力提高3 有機(jī)化改