第二章粘土矿物.ppt

粘土的定义、粘土矿物的基本结构、粘土矿物、粘土电荷的类型及其成因、几种主要粘土矿物的晶体结构和特性在第一节中，粘土的定义通常认为粘土由颗粒小于2 m的极细粘土矿物组成。它在水中具有分散性、带电性和离子交换性。粘土矿物是层状结构硅酸盐矿物、层状链状结构硅酸盐矿物和含水无定形硅质硅酸盐矿物的总称，它们通常形成岩石和土壤的细粒部分(2m)。粘土的化学分析表明，粘土主要含有二氧化硅、氧化铝和水，还含有少量的铁、碱金属和碱土金属。事实上，世界上的粘土矿物是水合铝硅酸盐。矿物质的主要成分。一般来说，粘土矿物分散得很好，并且含有水分。粘土矿物的基本结构、基本结构单元、基本结构单元块和基本结构层由各种粘土矿物、硅氧四面体、铝氧八面体组成。第一，基本结构单元和基本结构单元片硅氧四面体由与四个大得多的氧等距离匹配的硅组成。底部氧气和顶部氧气。铝氧八面体是由一个铝与六个氧(或羟基)配位形成的。硅、氧四面体堆积图四面体平面投影图、四面体连接透视图/氧化硅四面体片四面体晶片顶视图示意图/氧化硅四面体、氧化铝八面体、铝、氧(羟基)、八面体连接透视图/氧化铝八面体片、粘土矿物基本结构示意图、第二，粘土矿物基本结构层、基本结构层(单位晶体层)由氧化硅四面体片和氧化铝八面体片按不同比例组合而成。通过结合二氧化硅四面体片和氧化铝八面体片形成的基础结构层是具有粘土矿物最简单晶体结构的层状铝硅酸盐。五个原子平面：一个硅平面，一个铝平面和三个氧(或羟基)平面；典型矿物：老化的石头，2，233，601个基本结构层，由两个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组合而成。七个原子平面：一个铝平面，两个硅平面和四个氧(或羟基)平面。典型矿物：蒙脱石，伸长的概念，粘土矿物是由上述两个基本结构层叠加而成。层间域：当两个基本结构层重复堆叠时相邻基本结构层之间的空间；粘土矿物的单元结构：基本结构层加层间域；夹层物质：存在于夹层域的物质；如果夹层物质是水，则称之为夹层水，如果夹层域中有阳离子，则称之为夹层阳离子。粘土矿物粘土矿物包括高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、坡缕石等。在高岭石的结构中，晶体层的一侧由氧组成，另一侧由羟基组成。晶体层通过氢键紧密相连，水不容易进入。晶格取代：硅氧四面体中的硅和铝氧八面体中的铝被其他原子(通常是属于原子的低价金)取代。由于晶格替代，晶体的电价是不平衡的。为了平衡电价，有必要在晶格和表面结合一定量的阳离子。为了平衡电价，结合在一起的阳离子可以相互交换，这被称为可交换阳离子。很少的晶格取代，很少的可交换阳离子，很少的可交换阳离子用于氢键非膨胀粘土矿物，粘土矿物di和蒙脱土的基本结构层由两个二氧化硅四面体片和一个氧化铝八面体片组成，并且2:1层粘土矿物的二氧化硅四面体的顶部氧都指向氧化铝八面体并且通过公共氧连接在一起。分子间作用力(无氢键)膨胀粘土矿物，大量晶格取代，大量可交换阳离子，蒙脱石晶格取代主要发生在氧化铝八面体中，铁或镁取代氧化铝八面体中的铝。硅氧四面体中的硅很少被取代。晶格置换后，各种交换硅氧四面体的顶部氧都指向铝氧八面体，并通过普通氧连接在一起。与非膨胀粘土矿物蒙脱土不同，晶格取代主要发生在硅氧四面体片中，约1/6的硅被铝取代。可交换阳离子主要是钾离子。钾离子的直径(0.266纳米)接近硅氧四面体片内六方网格结构的内切圆直径(0.288纳米)，容易进入六方网格结构，不易释放，晶体层结合紧密，水不易进入。伊利石层间距相对稳定，一般为1.0纳米。绿泥石的基本结构层由一层类似于伊利石2:1的结构层和一层水和菱镁矿层组成。与其他2:1层状粘土矿物相比，不同之处在于其夹层区域填充有水镁石片。水镁石片为八面体片。板材中的镁被铝取代，使其带正电，并可取代可交换阳离子来补偿2:1层状结构。铝替代结构中硅产生的不平衡电价。水镁石是一种层间带有氢键的非膨胀粘土矿物，它对晶体层的静电吸引力。第五，海泡石、海泡石族矿物(俗称耐盐粘土)包括海泡石、凹凸棒土等。它是铝和镁的硅氢盐，其晶体结构通常是链层状的。它由2:1层组成，晶体结构是每6个硅氧四面体旋转180，并沿A轴延伸。创建一个平行于a轴的通道，特点：包含更多的吸附水，具有高的热稳定性(当加热到350时晶体结构保持不变，在淡水和饱和盐水中的水合膨胀几乎相同(良好的抗盐性)。因此，用其制备的钻井液对海上钻井和钻高压盐水或盐层具有良好的悬浮性能。1.4粘土电荷的类型及其产生的原因，电泳证明粘土颗粒通常在水中带负电荷，并在电场的作用下向正极移动。粘土所带的电荷是粘土具有一系列电化学性质的根本原因，同时也影响着粘土的各种性质。例如，多少阳离子粘土吸附取决于它带多少负电荷。钻井液中各种处理剂对粘土的作用和钻井液的稳定性都受到粘土电荷的影响。根据粘土电荷产生的不同原因，可分为永久负电荷、可变负电荷和正电荷。产生永久负电荷的原因，是由于粘土晶格置换所产生的剩余负电荷。例如，硅氧四面体：Si4被Al3取代。氧化铝八面体：Al3被Fe2、Mg2等取代。负电荷的数量取决于晶格中晶格取代的数量，不受酸碱度的影响，因此被称为永久负电荷。不同粘土矿物的晶格取代不同。粘土的永久负电荷主要分布在粘土晶体层上。蒙脱土的永久负电荷主要来自铝氧八面体中的一些铝离子被镁和铁等二价离子取代，只有一小部分电荷是由硅氧四面体中的硅被铝取代引起的，一般不超过15%。蒙脱石每单位电池有0.25 0.6个永久负电荷。伊利石与蒙脱石的不同之处在于其永久负电荷主要来自硅氧四面体中铝对硅的取代，约六分之一的硅被铝取代，晶胞中约有0.6 1个永久负电荷。然而，中和负电荷的阳离子是钾离子，一些钾离子落入晶体层之间相应的六边形环中，在水中不易电离。相反，伊利石的充电量减少。高岭石晶格取代很弱。可变负电荷粘土所带的电荷量随着介质酸碱度的变化而变化。这种电荷称为可变负电荷。可变负电荷，在碱性条件下与铝连接的羟基在晶体端面解离，无机阴离子或有机聚阴离子如羟基-1和二氧化硅-吸附在端面上，P.泰森通过电子显微镜照片观察到高岭石在其角上吸附了带负电荷的金溶胶，从而证明粘土在其端面上带有正电荷。原因，铝氧氢，因为暴露的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出氢氧1H，铝氧氢，净电荷粘土的正负电荷数的代数和，而粘土是带负电荷的，因为粘土的负电荷数远大于正电荷数。第二节粘土-水界面的吸附，基本概念，界面：两种不同相之间的界面，如气-液界面、油水界面、粘土-水界面相：指系统中物理化学性质相同的均匀部分。吸附：物质自动集中在两相界面(界面浓度大于内部浓度)的现象称为吸附。被吸附的物质叫做吸附质，被吸附的物质叫做吸附剂。吸附量：每单位质量吸附剂吸附的被吸附物的量。吸附分类：物理吸附、化学吸附和离子交换吸附吸附引起物理吸附和化学吸附力性质不同物理吸附：吸附剂和被吸附物之间的吸附靠分子间的吸引。氢键力产生的吸附也属于物理吸附的分子间力，也称为范德华力，包括诱导力、分散力和取向力。化学吸附：由吸附剂和被吸附物之间的化学键形成的吸附。吸收光谱用于检查是否有新的吸收带，以判断是物理吸附还是化学吸附。离子交换吸附：(粘土表面)吸附剂表面的离子可以与溶液中相同数量的离子交换。离子交换同数：阳-阳，阴-阴，类似置换反应。等电交换：交换的阳离子相当于吸附的阳离子。一个钙离子交换两个钠离子，离子交换吸附反应是可逆的。吸附=解吸，存在吸附平衡。影响离子交换吸附的因素：离子价态：价态越高，吸引力越强，离子半径容易吸附，不易解吸：如果同价态离子的离子半径小，水合半径大，离子中心远离粘土表面，吸附弱，而吸附强。但氢以H3氧的形式存在，离子半径大，水化半径小，容易接近粘土表面。常见正离子的吸附顺序为：锂(2)渗透并膨胀形成扩散的双电层，双电层的排斥力将钠土等单位晶体层隔开。(3)粘土的水化膨胀机理。粘土有两种公认的水合和膨胀机制：表面水合和渗透水合。表面水化是一种短程粘土水化相互作用。它在10A0的范围内。这是粘土水化的第一阶段，是由单层粘土表面的水吸附引起的。这里的表面包括内表面和外表面。为了膨胀性，粘土晶格还包括晶体层之间的表面。渗透水化：渗透水化，远程土-水相互作用，约10A0，是粘土层引起的粘土水化膨胀的第二阶段，层间阳离子浓度大于溶液中的阳离子浓度，水渗透到粘土晶体层间，导致层间间距增大。电解质浓度的这种差异引起的水合作用称为渗透水合作用。当水进入晶体层时，最初吸附在粘土表面的阳离子扩散到水中，形成扩散的双电层，从而在层间产生排斥力。范诺芬认为长程粘土-水作用力主要是双电层的排斥力。渗透水化导致粘土体积急剧增加，远远大于表面水化。例如，每克钠基膨润土每克表面水合吸收0.5克水，体积增加一倍，而在渗透水合中，它能吸收10克水，体积增加20倍。一般来说，页岩中水的离子浓度大于泥浆中的离子浓度。钻探页岩时，泥浆中的水是指页岩发生渗透水化，导致油井坍塌。第五节粘土颗粒与胶体稳定器的连接方式粘土相互作用力、双电层排斥力、静电引力、范德瓦尔斯力当端面带正电时，由于静电引力的优势，板面和端面相互连接；当添加可溶性电解质时，由于阳离子压缩双电层，电势降低，因此降低了双电层的排斥力，从而导致端到端连接。如果加入足够的电解液，双电层的排斥力下降到一定程度后，就会发生表面对表面的连接。其次，粘土颗粒的连接方式与分散、絮凝和聚