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膨润土及其工程上的用途
(一)简述膨润土是一种黏土岩、亦称蒙脱石黏土岩、常含少量伊利石、高岭石、埃洛石、绿泥石、沸石、石英、长石、方解石等;一般为白色、淡黄色,因含铁量变化又呈浅灰、浅绿、粉红、褐红、砖红、灰黑色等;具蜡状、土状或油脂光泽;膨润土有的松散如土,也有的致密坚硬主要化学成分是二氧化硅、三氧化二铝和水,还含有铁、镁、钙、钠、钾等元素,Na20和CaO含量对膨润土的物理化学性质和工艺技术性能影响颇大蒙脱石矿物属单斜晶系,通常呈土状块体,白色,有时带浅红、浅绿、淡黄等色光泽暗淡硬度1〜2,密度2〜3g/cm3按蒙脱石可交换阳离子的种类、含量和层间电荷大小,膨润土可分为钠基膨润土(碱性土)、钙基膨润土(碱土性土)、天然漂白土(酸性土或酸性白土),其中钙基膨润土又包括钙钠基和钙镁基等膨润土具有强的吸湿性和膨胀性,可吸附8~15倍于自身体积的水量,体积膨胀可达数倍至30倍;在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状,这种介质溶液具有一定的黏滞性、触变性和润滑性;有较强的阳离子交换能力;对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力,最大吸附量可达5倍于自身的重量;它与水、泥或细沙的掺和物具有可塑性和黏结性;具有表面活性的酸性漂白土(活性白土、天然漂白土-酸性白土)能吸附有色离子
(二)吸附性吸附是所有固体物质存在的自然现象我们将某些分子聚集在膨润土表面的现象,称为膨润土的吸附作用这种吸附作用在工业上得到了广泛应用如钻井泥浆经常利用膨润土矿物的吸附特性来调整不同使用目的的泥浆参数,如添加降滤失剂,就是通过高分子聚合物一端吸附在膨润土颗粒表面,另一端溶于水使膨润土颗粒和水分子之间产生了一种间接的联系形成了一种桥联作用,减少了泥浆中的自由水,改变了泥浆的性能参数,达到降低滤失率的目的膨润土吸附可以分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种类型1冲勿理吸附物理吸附是靠吸附剂与吸附质之间分子间引力产生的,即我们常说的范德华力产生的物理吸附是一种可逆的吸附过程,吸附速度与脱附速度在一定条件下呈动态平衡产生物理吸附的主要原因是膨润土表面分子具有表面能由于膨润土在水中高度分散,物理吸附现象十分明显2化学吸附化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的,化学吸附作用一般不可逆在钻井泥浆中应用化学处理剂就是化学吸附作用的典型例子,如铁铭木质素磺酸盐加入到膨润土泥浆中就是利用铝离子在膨润土晶体的边缘上发生整合吸附这种化学吸附作用明显比物理吸附作用要稳定因此用铁铭木质素磺酸盐处理的膨润土泥浆具有较高的抗温能力,可作为地热和超深井的抗高温泥浆体系3离子交换吸附膨润土矿物晶体一般带负电荷,因此在膨润土颗粒表面要吸附等当量的相反电荷的阳离子吸附的阳离子可以和溶液中的阳离子发生交换作用,这种作用称为离子交换吸附离子交换吸附的特点是同号离子相互交换,等电量相互交换离子交换吸附的反应是可逆的,吸附和脱附的速度受离子浓度的影响,这种影响符合质量作用定律影响膨润土矿物吸附作用的因素是1膨润土类型的影响钠质膨润土的吸附能力明显比钙质等其他类型的膨润土矿物吸附能力强2膨润土颗粒粉碎粒度大小的影响根据固体吸附的理论,进行粉碎的膨润土矿物的吸附能力明显提高,粉碎矿物越细,吸附作用越强3溶液介质的影响根据双电层理论,膨润土矿物晶体带负电,在形成双电层时会进行离子交换如果溶液中离子浓度过高会压缩膨润土颗粒双电层抑制膨润土的分散和扩散,甚至使膨润土产生凝聚和聚结三膨胀性膨润土遇水就膨胀,这种自然现象产生的主要原因是膨润土矿物晶层间距加大,水分子进入了矿物的晶层,另外引起膨润土膨胀的原因还有膨润土矿物的阳离子交换作用膨胀性与膨润土的属性和蒙脱石含量关系极大,钠质膨润土的膨胀性明显比钙质膨润土要强,另外纯度较高、蒙脱石含量高的膨润土的膨胀性要强因此,在实际应用时,如果我们主要想利用膨润土矿物的膨胀性,那么我们在考虑膨润土矿物的种类时首先要选择钠质膨润土矿,其次要考虑蒙脱石含量高的钠质膨润土在机械铸造和铁矿球团工作中,对膨胀性要求较高大量的钙质膨润土质,达不到使用要求,因此在使用前需要对钙质膨润土进行改性处理钠质膨润土的分散程度较钙质膨润土高,钠质膨润土的吸水率高、膨胀倍数大钠质膨润土和钙质膨润上吸水膨胀产生不同结果的原因是1阳离子可以将膨润土颗粒联结在起,制约了膨润土颗粒的分散多价离子比一价离子电荷密度大,颗粒之间产生较强的静电引力,使膨润土颗粒联结的能力强,因此钙质膨润土的分散能力比钠质膨润土要弱2蒙脱石晶格置换产生的负电荷要吸附电性相反的离子来平衡溶液的电性这些电性相反的离子是以水化离子形式存在于溶液当中,带负电荷的蒙脱石颗粒吸附水化阳离子形成双电层双电层的厚度与反离子价数的两次方成反比,即阳离子价高,水化膜薄,膨胀倍数低;而阳离子价效低,水化膜厚,膨胀倍数高3钠质膨润土晶层吸附水的厚度是三层,钙质膨润土晶层吸附水的厚度是四层在极性水分子的作用下,由于静电引力较小,钠质膨润土晶层之间可以产生较大的晶层间距,而钙质膨润土由于晶层间的朴电引力较大,极性水分子不易进入晶层之间,因此,钙质膨润土晶层间产生的距离明显比钠质膨润土小,表现在钙质膨润土比钠质膨润土难于在水中分散、膨胀倍数低实质上,蒙脱石的膨胀性受其化学成分控制,含钠离子多的蒙脱石可以待续不断地膨胀,直至成为一种凝胶状态含钙离子多的蒙脱石只能从干操状态到含水状态膨胀是有限度的我们在了解了影响膨润上膨胀性的深层次的原因后,可以人为有效地控制膨润土矿物的膨胀性能,使之达到最佳使用效果
(四)造浆性造浆率是膨润土颗粒在水中分散形成悬浮液,并且这种悬浮液的表观粘度为15*10-3Ps-s时每吨膨润土造浆的立方数是衡量膨润土质量的一项重要指标,一般钠质膨润土的造浆性能比钙质膨润土要好计其选浆率公式是造桨率(m3/t)二水的体积(mL)/土的质量(g)+1/土的()密度一般在测试表观粘度时配制表观粘度在10-25*10-3Pa-s范围内三杯泥浆,经过搅拌静止放置16h,再搅拌,测试粘度,然后在单对数坐标纸上标出三点的位置,进行连线,在坐标上求出表观粘度为15*10-3Pa s时的加土量
(五)如何识别膨润土肉眼鉴定中,优质膨润土呈纯白色,一般也有灰色或浅黄白色的,常因吸水或含有杂质而呈淡绿、淡青、玫瑰红等颜色风干后仍为纯白色、灰色或浅黄白色用手掰开后断面不平整,而呈冻胶状有油脂光泽,手触有滑感能吸水膨胀,好的可成为胶体状若经长期风干水分散失后,又可变成松散状膨润土因有强烈的离子交换力,所以能吸附或吸收各种颜色但只靠上面介绍的肉眼等感官鉴定是不够准确的我国尚无统一的鉴定膨润土的国家标准多数矿山执行一机部关于〃铸造用膨润土、粘土的部颁标准〃
(1997)和企业标准主要测定吸兰量、水分、胶质介、通过率、湿压强度、膨胀系数、pH值等,测定方法和标准这里就从略了膨润土工程上的用途钻井或者桩时护壁用钻井泥浆用膨润土是膨润土第二大的用户,每年用量为70万吨膨润土是一种以蒙脱石为主要组分的粘土类矿物,具有强烈的吸水性,能吸收相当于本身体积8倍的水,体积膨胀10~30倍,在水溶液中呈悬浮和胶凝状态在进行油、气钻井等项工作时,要使用泥浆来冷却钻头、清除碎屑、保护井壁及平衡地压膨润土分散性好、出浆量大,因此是制造钻井泥浆的理想材料用作钻井泥浆的膨润土,最重要的技术要求是悬浮性质、湿筛分析和水分含量膨润土在钻井中的重要作用,使它的用量非常大据了解,平均每采一口井,大约使用膨润土8吨。