13膨润土解析.ppt

第13章蒙脱石和膨润土 montmorillonite and bentonite 一 概述1 膨润土 是一种以蒙脱石为主要矿物的粘土岩 蒙脱石含量一般在40 90 还含有长石 石英 伊利石 沸石 高岭石 云母等矿物 2 最早于1888年在美国怀俄明州罗克河 RockRiver 附近的泰勒 Taylor 地区发现并开采 后由Knight 1898 正式命名 3 膨润土与斑脱岩 taylorite 膨土岩同义 4 在工业领域 用做漂白剂和吸附剂的膨润土被称为漂白土 fuller searth 5 膨润土的分类1 高膨胀 钠型 膨润土 可交换阳离子以Na 离子为主 遇水高度膨胀 且形成胶体 2 低膨胀 钙型 膨润土 可交换阳离子以Ca2 离子为主 与水混合膨胀能力较低 略大于普通粘土 且崩解为颗粒 3 中膨胀 过渡型或混合型 膨润土 可交换阳离子为Na 和Ca2 膨胀能力中等 与水混合形成的胶体比钠型膨润土低 6 颜色 膨润土的颜色有白色 黄色 橄榄绿色 棕色和蓝色等 7 颗粒形态 蒙脱石矿物颗粒极细 属胶体级 在电子显微镜下呈绒毛状或绒毛毡状 通常呈土状或块状集合体 8 莫氏硬度1 2 9 密度2 3g cm3 10 蒙脱石受热变化1 100 300 之间 脱出吸附水和层间水 2 600 700 之间 析出结构水 OH 3 800 900 之间 结构破坏 4 900 之后 形成新矿物尖晶石 石英等 11 蒙脱石的化学式Ex H2O n Al2xMgx 2 Si Al 4O10 OH 2 1 四面体中由Si和少量Al Fe Ti占据 2 八面体主要被Al占据 Mg Fe Zn Ni Li Cr等可代替Al 3 二价阳离子代替三价阳离子是产生层间电荷的主要原因 4 为层间阳离子 主要为Ca2 Na 其次有K Li 等 5 x表示 为一价阳离子时单位化学式的层电荷数 一般在0 2 0 6之间 12 层间水与结构 性能的关系 1 层间水的含量取决于层间阳离子的种类及环境温度和湿度 2 水分子是以层的形式吸附于结构层之间 最多可达四层 3 水分子数 n 水分子层数和d001间的关系为 n 0 28142026水分子层数 01234d001 nm 0 961 251 551 852 05 4 钙蒙脱石以两层水分子最稳定 5 钠蒙脱石可有1 2 3层水分子 层间阳离子为K 时 吸水性最差 6 吸水性除与层间阳离子种类有关外 还与层电荷的位置有关 A 层电荷来自八面体片时 吸水性强 B 来自四面体片时 吸水性弱 二 工艺技术特性1 表面电性 由3类电荷贡献 1 层电荷 单位晶胞最多可达0 6 不受介质pH值的影响 这是蒙脱石表面负电性的主要原因 2 破键电荷 产生于四面体片的基面和四面体片 八面体片的端面 系Si O破键和Al O OH 破键的水解作用所致 pH 时 破键吸引H 带正电 pH 时 带负电 3 八面体片中离子离解形成的电荷 A 在酸性介质中 OH 或AlO33 离解占优势 端面荷正电 B 碱性介质中 Al3 离解占优势 端面荷负电 C pH值约9 1为等电点 2 膨胀性吸水或吸附有机物后 晶层底面间距增大 体积膨胀 1 高水化状态的蒙脱石 c0可达1 84 2 14nm 2 吸附有机分子时 c0最大可达约4 8nm 3 含二价层间阳离子的蒙脱石处在塑性体 流体过渡阶段时 比含一价阳离子的蒙脱石水化能高 吸水速度快 吸水量大 膨胀性也大 4 进入分散状态成为流体时 吸水膨胀性能受晶胞的离解程度制约 A 含二价层间阳离子的蒙脱石晶胞的离解程度比含一价层间阳离子者晶胞的离解程度低 吸水量小 吸水率低 B 钙蒙脱石的吸水率和膨胀倍数大大低于钠蒙脱石 a 钠蒙脱石的膨胀倍数高达20 30倍 b 钙蒙脱石仅几倍至十几倍 3 悬浮性和造浆性蒙脱石在水介质中能分散成胶体状态 受分散相的颗粒大小和形态控制 1 悬浮 凝聚的形式 蒙脱石晶体表面不同部位的电荷多样性以及颗粒的不规则性 使蒙脱石颗粒之间有不同的聚集形式 A 在分散液中添加大量金属阳离子 将降低蒙脱石晶层面的电动电位 产生面 面型聚集 使分散相的表面积和分散度减小 在碱性分散液中更易发生 B 在酸性分散液中 若外来金属阳离子干扰少或没有干扰时 蒙脱石晶体带正电荷的端面与晶层面组成面 端型絮凝 C 在中性分散液中 端面没有双电层 是端 端絮凝 D 絮凝体的骨架包含大量的水 在浓厚的分散液中 当絮凝发展到整个体系时 即成凝胶 E 较稀薄的蒙脱石分散液 当吸附聚积发展到一定程度时 颗粒增大 产生沉淀 2 钠蒙脱石 钠蒙脱石遇水膨胀可形成永久性乳浊液或悬浮液 这种悬浮液具有一定的粘滞性 触变性和润滑性 3 钙蒙脱石 膨胀性较小的钙蒙脱石在水中虽可以迅速分散 但一般会很快絮凝沉淀 4 造浆性 蒙脱石的造浆性不及坡缕石和海泡石 A 钠蒙脱石的造浆率约为10m3 t B 钙蒙脱石的造浆率较低 4 阳离子交换性和吸附性阳离子交换能力主要与层间阳离子的种类有关 也受蒙脱石的粒度 结晶度 介质性质等因素影响 1 在pH 7的水介质中 阳离子交换容量为70 140mmol 100g 相当于每个晶胞带0 5 个静电荷 主要是层间阳离子的交换 2 晶体端面所吸附的离子也具可交换性 且随颗粒变细而增大 3 以蒙脱石为主的白色粘土 pH 称酸性白土 脱色率可达100 活化处理可增强其吸附性和脱色性 5 热稳定性A 加热至200 700 出现缓慢的膨胀 B 700 800 时有一急剧膨胀过程 生成无水蒙脱石 接着有一个较大的收缩 C 950 又重新开始膨胀 D 钠蒙脱石 a 加热至100 后 阳离子交换容量略有增加 b 100 300 后 阳离子交换容量略显降低 c 390 490 失去膨胀性 阳离子交换容量降低为39mmol 100g左右 E 钙蒙脱石相对钠蒙脱石约低100 每个阶段 F 差热分析a 80 250 吸热谷 是脱去层间水和吸附水的结果 钠蒙脱石脱水温度相对较低 只有一个吸热谷 钙蒙脱石的脱水温度较高 且有两个吸热谷 b 600 700 吸热谷 因结构水 OH 脱出而产生 c 800 935 吸热谷 是由于晶格完全破坏所致 d 935 之后有一放热峰 是非晶相的结晶作用所引起 6 可塑性和粘结性1 蒙脱石具有良好的可塑性 其塑限和液限值 即蒙脱石呈可塑状态时的下限和上限含水量 均大大高于高岭石和伊利石 可达83 250 2 蒙脱石成型后发生变形所需的外力较其它粘土矿物小 3 蒙脱石的可塑性与层间可交换性阳离子种类 水分子层的厚度 颗粒形态及粒度有关 4 钠蒙脱石粘土具有优良的粘结性 钙蒙脱石粘土的粘结性较差 三 工业应用与技术要求 一 悬浮剂膨润土与水混合形成的悬浮液 可用于钻井泥浆 阻燃物 煤的悬浮分离等 1 泥浆原料 膨润土钻井泥浆 特别是钠型膨润土泥浆 具有失水量少 含砂少 密度低 粘度好 性质稳定 固壁能力强 钻具回转阻力小等优点 可提高钻井效率 降低成本 2 灭火剂 由膨润土制成的悬浮液 具有粘度大 覆盖能力强 不燃烧等特点 用于灭火喷射到燃烧物上 可形成覆盖薄膜 隔绝空气 迅速灭火 3 质量要求 钻井泥浆原料 1 粘度 22 5g膨润土与350mL蒸馏水制成悬浮液 粘度计转速600r min 粘度计读数 30 2 湿筛分残余量 2 5 测定方法为 10g膨润土与350mL蒸馏水混合 加0 2g分散剂制成悬浮液 搅拌 陈化 再搅拌 用配有特制喷雾系统的200目的物理筛洗涤过滤 对筛上残余进行干燥 称重 计算残余比例 残余物与原膨润土质重之比 3 水分 10 二 冶金工业粘结剂膨润土是冶金工业铁矿球团和铸造业型砂的良好粘结剂 1 冶金工业使用的铁矿粉 粒度大约在300 500目之间 必须加工成熟料方可进入高炉炼铁 生产熟料的主要方法为球团法 球团矿的质量在很大程度上取决于粘结剂 钠质膨润土是国外使用最多 效果最好的粘结剂 由其制作的球团大小均匀 透气性和还原性好 可以保证高炉燃烧均匀 降低熔剂和焦炭消耗和成本提高炼铁效率和质量 2 铸型砂的粘结剂用钠质蒙脱石作铸型砂的粘结剂 可有效解决砂型坍塌问题 并可提高模具的抗压 抗拉强度等综合性能好 可提高铸件质量和成品率 降低生产费用 3 质量要求美国钢铁铸造协会规定 型砂用膨润土的质量应达到 含水量6 12wB pH值 8 2 CaO含量 0 70wB 三 吸附剂和净化剂性质 膨润土吸附性强 无毒 无味 1 用于食物油的精制 脱色 滤毒 2 净化汽油 煤油 特殊矿物油 石蜡等工业产品 3 膨润土对放射性物质铯 铷等具有较强的吸附和固定作用 可用于放射性物质废渣的处理 4 经过处理的膨润土 可用于含油废水 含菌废水的净化 也可吸附悬浮物 4 质量标准 1 中国 浙江产吸附脱色用膨润土 脱色力 110 游离酸 以H2SO4计 0 2 200目颗粒95 水分10 2 美国标准比表面积300 m2 g 游离酸 以KOHmg g计 4 8 100目100 200目95 300目78 水分15 过滤速度 mL min 38 吸油率35 四 填加剂1 造纸原料中添加膨润土 可使纸浆脱色增白 使纸张洁白柔软 2 肥皂和洗衣粉中添加膨润土 可有效吸附污物和细菌 提高洗剂效果 3 膨润土用作涂料填料 可改善涂料的涂敷性 附着性 掩盖性 平整性 耐水性 耐洗性等 优化涂料性能 还可降低成本 4 在鸡饲料中添加2 3 的膨润土 肉鸡平均增重6 7 蛋鸡产蛋率平均提高13 8 蛋重平均提高5 47 蛋料比提高12 18 五 稠化剂1 性质 膨润土稠化剂是一种有机蒙脱石复合物 是由有机阳离子取代蒙脱石中可交换阳离子后得到的 具有抗压性强 抗水性好 胶体安定性好等特点 2 应用 A 有机蒙脱石是制造润滑脂 橡胶 塑料 油漆等产品的重要原料 B 膨润土润滑脂是一种高温脂 使用温度宽 从负几十度到正一百多度 抗挤压性强 抗水性好 安定性好 使用寿命长 常用于大型喷气客机 战斗机 坦克 冶金高温设备 合成纤维设备等高温 高负荷摩擦部件的润滑剂 六 工业用淀粉替代品膨润土的许多性质与淀粉相似 可代替粮食用于生产浆糊 用于浆纱 印染等方面 既可节约粮食 也可降低成本 由膨润土浆纱 还具有纱线顺直 洁净 不起毛 上浆后不发臭等优点 七 其他用途1 将适量膨润土撒入干旱沙土地 可有效吸收储存水分 有利于土壤保墒 2 膨润土对肥料和农药的吸附 可减缓肥效 药效释放 发挥长效作用 提高使用效益 3 膨润土用作陶瓷坯体和釉原料 可提高成品白度 4 与水泥混合使用 可改善水泥性能 用于充填水池 水坝 下水道的裂隙 堵漏性能好 5 可用作禽畜粪便除臭 用作铅笔芯粘合剂等 6 改性后的交联蒙脱石可用以制备具裂化性能的分子筛 用于石油化工领域 7 以膨润土为主要原料 可生产合成沸石 用以代替传统洗涤剂中的三聚磷酸钠 可大大减少洗涤废水中残余磷对地表水的污染 8 铝柱撑蒙脱石可用于除去饮用水中的F 9 经中性表面活性剂改性处理后 可有效吸附氯代苯酚 四 膨润土和蒙脱石的改性1 钠化处理Ca Mg 膨润土 Na2CO3Na 膨润土 Ca Mg CO3目的 提高膨润土的吸水率 膨胀容积 阳离子交换容量 分散性 热稳定性 2 酸化处理膨润土 硫酸或盐酸 目的 溶解原矿中的杂质 提高比表面积和不饱和电荷 吸附能力提高3 有机化改