膨潤土鈉化改性試驗研究

王明明

（勝利石油管理局 黃河鉆井總公司鉆井四公司，山東 東營 257000）

膨潤土鈉化改性試驗研究

王明明

（勝利石油管理局 黃河鉆井總公司鉆井四公司，山東 東營 257000）

鈉基膨潤土因具有諸多優(yōu)良性能而得到了廣泛應(yīng)用。通過分析鈣基膨潤土鈉化改性原理，對鈣基膨潤土鈉化改性進行試驗研究。分別考察不同鈉化劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、鈉化劑加量、體系p H值等因素對鈉化效果的影響，并對改性后鈉基膨潤土進行元素分析。結(jié)果表明：采用碳酸鈉為鈉化劑，加量為原土礦質(zhì)量的4%，反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時間為2 h，p H值為8～9時，膨潤土改性后膨脹容由原來的8 m L／g提高到27 m L／g，膠質(zhì)價由原來的12 m L／（15 g）提高到73 m L／（15 g）；改性后的膨潤土為典型的鈉基膨潤土。

鈣基膨潤土；鈉基膨潤土；改性；膨脹容；膠質(zhì)價

膨潤土是以蒙脫石礦物為主要成分的黏土礦。蒙脫石晶體是由兩層Si－O四面體和一層Al－O八面體構(gòu)成。由于晶格取代作用，蒙脫石晶體表面吸附了可交換陽離子［1］。蒙脫石的這種特殊結(jié)構(gòu)決定了在一定的外界條件下，晶體結(jié)構(gòu)中的吸附陽離子能被電性相同、荷電量接近的離子交換。作為一種非金屬礦物，由于晶層表面吸附離子類型的差異，天然膨潤土一般分為鈉基土和鈣基土。鈣基土由于質(zhì)量不穩(wěn)定，性能差，應(yīng)用價值不高；而鈉基土因其具有優(yōu)異的吸水性和分散性，其分散在水中能形成具有一系列優(yōu)良性能，如剪切稀釋性、懸浮性、觸變性、潤滑性、熱穩(wěn)定性等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。在石油鉆井工程中，優(yōu)質(zhì)的鈉基土作為水基鉆井液重要的配漿材料，能起到增黏提切、降低濾失量等作用。目前我國的膨潤土資源中鈣基土占絕大多數(shù)，達到90%，而天熱的優(yōu)質(zhì)鈉基土礦稀缺，產(chǎn)品短缺，因此通過鈉化改性提升膨潤土的綜合應(yīng)用性能，具有重要的研究意義［2－5］。

1 鈣土鈉化分析

蒙脫石的晶體為由兩層硅氧四面體夾一層鋁（鎂）氧（氫氧）八面體的類似三明治的構(gòu)造，屬于2∶1型層狀黏土礦物。由于晶格取代現(xiàn)象，導(dǎo)致蒙脫石晶層間電荷不平衡產(chǎn)生過剩的負電荷。該負電荷可通過黏土晶層表面吸附可交換性陽離子得到補償。根據(jù)可交換陽離子的種類及性質(zhì)，交換后形成的蒙脫石表現(xiàn)出不同的水化分散性質(zhì)。鈉離子由于具有較大的離子半徑和水化半徑，因而鈉基土表現(xiàn)出優(yōu)良的水化性能［6］。鈣基膨潤土層間主要吸附了鈣、鎂等金屬離子。當鈣基膨潤土分散在水中，體系中同時存在鈣離子和鈉離子時，將發(fā)生如下反應(yīng)：

從而完成鈉化改性過程，該反應(yīng)主要受離子質(zhì)量濃度及溫度等因素影響。

2 試驗材料及步驟

2.1 試驗材料和儀器

主要材料包括鈣基膨潤土礦粉（濰坊華濰膨潤土集團股份有限公司）；鈉化劑主要有氯化鈉、氟化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉（國藥集團化學(xué)試劑有限公司），分析級。

主要試驗儀器有電動攪拌機、電子天平、旋片式真空泵、恒溫水浴鍋等。

2.2 試驗方法

在300 m L去離子水中加入30 g原鈣基土粉，充分攪拌分散形成一定質(zhì)量濃度的懸浮液。然后加入一定量的鈉化改性劑，加熱至一定溫度，調(diào)節(jié)攪拌速度進行反應(yīng)，反應(yīng)過程中調(diào)節(jié)體系的p H值。反應(yīng)結(jié)束后，待漿液冷卻至室溫后進行抽濾，然后在105℃下烘干。將烘干所得物研磨過200目即得到改性后的鈉基膨潤土。

2.3 評價方法

從石油行業(yè)特點出發(fā)，考慮膨潤土作為黏土礦物具有水化分散的特征，采用膨脹容和膠質(zhì)價兩個參數(shù)作為考察鈉基膨潤土質(zhì)量的指標。根據(jù)文獻可知，膨脹容和膠質(zhì)價兩個指標值越高。

3 鈉基膨潤土制備條件優(yōu)化

根據(jù)試驗設(shè)計原理，試驗首先將土粉質(zhì)量固定為30 g，加水量固定為300 m L，綜合考察鈉化劑類型及加量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和反應(yīng)體系的p H值等因素對鈉化效果的影響，最終優(yōu)化出鈉基膨潤土制備條件。

3.1 鈉化劑種類對鈉化效果的影響

采用了 Na HCO3、Na2CO3、NaOH、NaCl、NaF等幾種常見的鈉化劑進行實驗，由表1可以看出，Na2CO3和NaF的改型效果最好，膨脹容值分別為48和69 m L／g，而NaCl改型效果最差?？紤]到高溫時氟易造成污染，且采用NaF、Na OH鈉化生成CaF、Ca（OH）2沉淀或形成膠體，導(dǎo)致反應(yīng)后固液分離困難；而Na2CO3成本較低，來源較廣，且鈉化效果較好，因此采用Na2CO3作為鈉化劑。

表1 鈉化劑種類對鈉化效果的影響

3.2 反應(yīng)溫度對鈉化效果的影響

鈉化劑采用NaCO3，考察不同溫度下鈉化效果，試驗條件為3%Na2CO3，1.5 h，未調(diào)p H 值。從圖1可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，鈉化后膨潤土的膨脹容和膠質(zhì)價均逐漸提高，表明在一定溫度范圍內(nèi)升高溫度能夠改善鈉化效果。當反應(yīng)溫度達到80℃時，膨脹容和膠質(zhì)價均達到最大值，表明該溫度為最佳值。繼續(xù)升高溫度，膨脹容和膠質(zhì)價反而下降，表明鈉化效果變差，這可能是溫度升高加劇了離子運動，破壞了鈉離子與鈣鎂離子的交換平衡。因此，確定最佳反應(yīng)溫度為80℃。從節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)，可以進一步研究低溫下鈉化效果。

圖1 不同溫度對鈉化效果的影響

3.3 反應(yīng)時間對鈉化效果的影響

設(shè)定反應(yīng)條件為：3%Na2CO3，80℃，未調(diào)p H值，考察反應(yīng)時間對鈉化效果的影響。從試驗結(jié)果（圖2）可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，膨脹容和膠質(zhì)價均增加，表明鈉化效果越來越好。當反應(yīng)時間為2 h時，膨脹容和膠質(zhì)價變化不大，說明反應(yīng)基本達到平衡。進一步增加反應(yīng)時間，膨脹容和膠質(zhì)價反而減少，這可能是反應(yīng)過程過長破壞了離子交換平衡。因此確定2 h為最佳反應(yīng)時間。

圖2 反應(yīng)時間對鈉化效果的影響

3.4 鈉化劑用量對鈉化效果的影響

設(shè)定反應(yīng)條件為：80℃，1.5 h，未調(diào)p H值，考察鈉化劑用量對鈉化效果的影響。從試驗結(jié)果（圖3）可以看出，在NaCO3加量較小時，鈉化效果隨著NaCO3加量增加而變好。但當NaCO3超過一定用量時膨脹容和膠質(zhì)價反而降低，鈉化效果變差。由于鈉離子在高含量時會有更多的鈉離子進入黏土擴散雙電層中，壓縮擴散雙電層，導(dǎo)致黏土顆粒絮凝聚并，不能形成穩(wěn)定的膠體分散體系，導(dǎo)致鈉化效果變差。綜合考慮試驗結(jié)果和經(jīng)濟成本，針對本試驗采用的土粉，選用相當于4%原礦粉質(zhì)量的Na2CO3作為改型的用量最合適。

圖3 碳酸鈉加量對鈉化效果的影響

3.5 p H值對鈉化效果的影響

設(shè)定反應(yīng)條件為：3%Na2CO3，1.5 h，80℃，進一步考察p H值對鈉化效果的影響。

由于碳酸鈉溶液本身就呈堿性，在實際中用鹽酸溶液調(diào)節(jié)體系的p H值。從圖4可以看出，膨脹容和膠質(zhì)價隨著p H值的增加都增大，表明升高體系的p H值有利于鈉化反應(yīng)的進行，而當體系p H值為弱堿性時鈉化效果最好，p H＝8為鈉化的最佳條件。各因素對鈉化效果的影響程度依次為：p H值＞鈉化劑的用量＞反應(yīng)時間＞反應(yīng)溫度?？梢姕囟葘︹c化效果影響程度最低，因此在實際生產(chǎn)中可采用較低的溫度。

圖4 p H值對鈉化效果的影響

在最佳條件下對原土進行鈉化改性驗證試驗，并與原礦粉進行對比，所得結(jié)果如表2所示。從表2可知，改性后鈉基土膨脹容和膠質(zhì)價均有大幅度提高。通過元素分析可知，鈣基土原礦經(jīng)鈉化改性后SiO2含量下降，CaO含量下降，Na2O含量大大提高，說明原礦鈉化改性效果顯著。通過全礦礦物分析可知，經(jīng)過鈉化提純后，石英和方石英等非黏土礦物含量有所下降，而黏土礦物含量大幅度上升；同時，膨脹容由原來的8增加至27m L／g，膠質(zhì)價由12提高到 73 m L／（15 g），表明鈉化提純效果較為明顯。

表2 改型后鈉基土與原土的比較%

4 結(jié) 論

考察鈣基土鈉化各個影響因素，通過鈉化改型試驗得出最佳鈉化條件為：將30 g鈣基土分散于300 m L水中，加入4%碳酸鈉，調(diào)節(jié)體系p H值為8～9，80℃下攪拌反應(yīng)2 h。鈉化后的膨潤土的膨脹容和膠質(zhì)價較鈉化前原土有較大的提高。將改性后鈉基膨潤土進行元素分析、可知經(jīng)過鈉化改性的膨潤土為典型的優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土。

［1］ 侯莉，易發(fā)成，周佳榮，等.對鈣基膨潤土鈉化改型研究［J］.中國礦業(yè)，2006（12）：77－79.

［2］ 劉洪杰，鄒容，梁玉祥，等.膨潤土鈉化工藝條件研究［J］.硅酸鹽通報，2009，28（4）：61－66.

［3］ 胡雪峰，管俊芳，曹明禮，等.鄂州鈣基膨潤土鈉化改型研究［J］.非金屬礦，2009，32（1）：1－4.

［4］ 劉芳芳，戴亞堂，張歡，等.鈣基膨潤土的鈉化改性研究［J］.非金屬礦，2010，33（6）：37－40.

［5］ 葉力佳，劉建遠.低品位膨潤土的提純及其鈉化工藝條件優(yōu)化研究［J］.礦冶，2008，17（3）：21－25.

［6］ 李彩霞，任瑞晨，董慶國，等.膨潤土鈉化改性性能實驗研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，28（4）：649－651.

TD985 < class="emphasis_bold">［文獻標識碼］A［文章編號］

1673－5935（2012）01－0015－03

2012－01－05

王明明（1983－），男，山東濰坊人，勝利石油管理局黃河鉆井總公司鉆井四公司助理工程師，主要從事現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)研究。

［責任編輯］ 印樹明