膨潤土是一種黏土巖、亦稱蒙脫石黏土巖、常含少量伊利石、高嶺石、埃洛石、綠泥石、沸石、石英、長石、方解石等;一般為白色、淡黃色,因含鐵量變化又呈淺灰、淺綠、粉紅、褐紅、磚紅、灰黑色等;具蠟狀、土狀或油脂光澤;膨潤土有的松散如土,也有的致密堅硬。主要化學成分是二氧化硅、三氧化二鋁和水,還含有鐵、鎂、鈣、鈉、鉀等元素,Na2O和CaO含量對膨潤土的物理化學性質和工藝技術性能影響頗大。蒙脫石礦物屬單斜晶系,通常呈土狀塊體,白色,有時帶淺紅、淺綠、淡黃等色。光澤暗淡。硬度1~2,密度2~3g/cm3。
按蒙脫石可交換陽離子的種類、含量和層間電荷大小,膨潤土可分為鈉基膨潤土(堿性土)、鈣基膨潤土(堿土性土)、天然漂白土(酸性土或酸性白土),其中鈣基膨潤土又包括鈣鈉基和鈣鎂基等。膨潤土具有強的吸濕性和膨脹性,可吸附8~15倍于自身體積的水量,體積膨脹可達數倍至30倍;在水介質中能分散成膠凝狀和懸浮狀,這種介質溶液具有一定的黏滯性、觸變性和潤滑性;有較強的陽離子交換能力;對各種氣體、液體、有機物質有一定的吸附能力,大吸附量可達5倍于自身的重量;它與水、泥或細沙的摻和物具有可塑性和黏結性;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)能吸附有色離子??梢猿芍旅軌K狀,也可為松散的土狀,用手指搓磨時有滑感,小塊體加水后體積脹大數倍至20-30倍,在水中呈懸浮狀,水少時呈糊狀。蒙脫石的性質和它的化學成分和內部結構有關。
吸附是所有固體物質存在的自然現(xiàn)象。我們將某些分子聚集在膨潤土表面的現(xiàn)象,稱為膨潤土的吸附作用。這種吸附作用在工業(yè)上得到了廣泛應用。如鉆井泥漿經常利用膨潤土礦物的吸附特性來調整不同使用目的的泥漿參數,如添加降濾失劑,就是通過高分子聚合物一端吸附在膨潤土顆粒表面,另一端溶于水使膨潤土顆粒和水分子之間產生了一種間接的聯(lián)系。形成了一種橋聯(lián)作用,減少了泥漿中的自由水,改變了泥漿的性能參數,達到降低濾失率的目的。
化學吸附是靠吸附劑與吸附質之間的化學鍵力而產生的,化學吸附作用一般不可逆。在鉆井泥漿中應用化學處理劑就是化學吸附作用的典型例子,如鐵鉻木質素磺酸鹽加入到膨潤土泥漿中就是利用鉻離子在膨潤土晶體的邊緣上發(fā)生整合吸附。這種化學吸附作用明顯比物理吸附作用要穩(wěn)定。因此用鐵鉻木質素磺酸鹽處理的膨潤土泥漿具有較高的抗溫能力,可作為地熱和超深井的抗高溫泥漿體系。
影響膨潤土礦物吸附作用的因素是:
1)膨潤土類型的影響。鈉質膨潤土的吸附能力明顯比鈣質等其他類型的膨潤土礦物吸附能力強。
2)膨潤土顆粒粉碎粒度大小的影響。根據固體吸附的理論,進行粉碎的膨潤土礦物的吸附能力明顯提高,粉碎礦物越細,吸附作用越強。
3)溶液介質的影響。根據雙電層理論,膨潤土礦物晶體帶負電,在形成雙電層時會進行離子交換。如果溶液中離子濃度過高會壓縮膨潤土顆粒雙電層,抑制膨潤土的分散和擴散,甚至使膨潤土產生凝聚和聚結。
膨潤土遇水就膨脹,這種自然現(xiàn)象產生的主要原因是膨潤土礦物晶層間距加大,水分子進入了礦物的晶層,另外引起膨潤土膨脹的原因還有膨潤土礦物的陽離子交換作用。膨脹性與膨潤土的屬性和蒙脫石含量關系,鈉質膨潤土的膨脹性明顯比鈣質膨潤土要強,另外純度較高、蒙脫石含量高的膨潤土的膨脹性要強。因此,在實際應用時,如果我們主要想利用膨潤土礦物的膨脹性,那么我們在考慮膨潤土礦物的種類時要選擇鈉質膨潤土礦,其次要考慮蒙脫石含量高的鈉質膨潤土。在機械鑄造和鐵礦球團工作中,對膨脹性要求較高。大量的鈣質膨潤土質,達不到使用要求,因此在使用前需要對鈣質膨潤土進行改性處理。
蒙脫石的膨脹性受其化學成分控制,含鈉離子多的蒙脫石可以待續(xù)不斷地膨脹,直至成為一種凝膠狀態(tài)。含鈣離子多的蒙脫石只能從干操狀態(tài)到含水狀態(tài)膨脹是有限度的。我們在了解了影響膨潤上膨脹性的深層次的原因后,可以人為有效地控制膨潤土礦物的膨脹性能,使之達到佳使用效果。
鈉質膨潤土晶層吸附水的厚度是三層,鈣質膨潤土晶層吸附水的厚度是四層。在極性水分子的作用下,由于靜電引力較小,鈉質膨潤土晶層之間可以產生較大的晶層間距,而鈣質膨潤土由于晶層間的樸電引力較大,極性水分子不易進入晶層之間,因此,鈣質膨潤土晶層間產生的距離明顯比鈉質膨潤土小,表現(xiàn)在鈣質膨潤土比鈉質膨潤土難于在水中分散、膨脹倍數低。
天然膨潤土類型,主要是按蒙脫石的陽離子的種類相對含量分為鈣、鈉、氫、鋰蒙脫石等,其中以鈣蒙脫石為主的粘土稱為鈣基膨潤土。中國大部分膨潤土礦以生產鈣基膨潤土為主,鈣基膨潤土比鈉基膨潤土便宜,而且容易到手,所以我們在肉雞和蛋雞試驗上,都用的是鈣基土。用膨潤土添加料喂雞,因為適口性好,雞愛吃。
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