膨潤土的鈉化工藝研究

林 濤， 任建曉， 殷學(xué)風(fēng)

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

膨潤土的主要成分是蒙脫石，它是一種重要的非金屬礦產(chǎn)[1].世界膨潤土資源十分豐富，分布甚廣，但大部分天然膨潤土為鈣基膨潤土，其占總儲(chǔ)量的75%[2].鈣基膨潤土性能不穩(wěn)定，很難達(dá)到工業(yè)部門的直接應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn).而鈉基膨潤土卻具有很好的物理化學(xué)性質(zhì)：分散性好，膠體溶液的觸變性、黏度、潤滑性很好，吸附性、膨脹容大，pH值高，熱穩(wěn)定性好等性能.因此鈉基膨潤土具有很好的應(yīng)用前景和使用價(jià)值[3,4].

對于膨潤土在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，已經(jīng)受到了研究人員的密切關(guān)注.其中，施里宇[5]等人采用正交試驗(yàn)方法研究了不同溫度、不同膨潤土加量條件下對水基鉆井液流變性的變化.結(jié)果表明，膨潤土含量變化影響水基鉆井液的高溫高壓流變性;陶凱[6]對膨潤土提純進(jìn)行了研究，并對各種提純方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；劉映堯[7]等人將改性膨潤土用于ONP脫墨的研究.結(jié)果表明，改性膨潤土脫墨劑對ONP的浮選白度增值為8.70% ISO、殘余油墨降值(ERIC值)為610.00 mg /kg、膠黏物降值為241 個(gè)/kg、纖維流失為0.64%，用皂類型脫墨劑、表面活性劑復(fù)配型脫墨劑與之對比具有一定的優(yōu)勢；趙德清[8]等人詳細(xì)地論述了膨潤土在Hydrocol微粒助留體系中的應(yīng)用, 包括膨潤土的理化特性、Hydrocol微粒助留體系的作用機(jī)理，以及膨潤土微粒體系在紙廠的應(yīng)用等.

遼寧建平膨潤土開發(fā)技術(shù)含量低，產(chǎn)品比較單一.因此，作者對其進(jìn)行了改型研究.本文將采用濕法進(jìn)行鈉化工藝的研究，在單因素研究方法的基礎(chǔ)上探索最佳的鈉化工藝條件.這可為后續(xù)改型提供一定的基礎(chǔ)，將使得改型后的膨潤土在造紙領(lǐng)域中的應(yīng)用變得更加廣泛.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

天然膨潤土取自遼寧建平，經(jīng)破碎、研磨，提純精制過200目.所用膨潤土的物理性質(zhì)見表1.XRD圖譜如圖1所示.從中可以看出，原礦的主要成分為蒙脫石，雜質(zhì)礦物也比較簡單，主要為石英、云母、長石等.另外，原礦的特征峰d(001)值為1.582 53 nm，而且峰形尖銳，峰腳較窄，是典型的鈣基膨潤土特征.

表1 遼寧建平天然膨潤土的物理性質(zhì)

圖1 建平天然膨潤土的XRD圖

1.2 試劑與儀器

(1)試劑：1 mol/L鹽酸溶液、1%焦磷酸鈉溶液、0.2%亞甲基藍(lán)溶液、50%乙醇溶液、0.1 mol/L氯化銨溶液+乙醇溶液、0.1%酚酞指示劑、35%中性甲醛、氧化鎂、碳酸鈉.所用試劑均為分析純.

(2)儀器：電熱恒溫水浴鍋(北京科偉永興儀器有限公司)、恒溫鼓風(fēng)干燥箱(陜西天美科學(xué)儀器有限公司)、LD4-2A低速離心機(jī)(北京醫(yī)用離心機(jī)廠)、X-射線衍射儀(日本理學(xué)公司 D/max 2200PC)、RW20數(shù)顯型頂置式攪拌器(IKA?公司).

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

膨潤土是具有兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體所組成的2∶1型晶體結(jié)構(gòu).由于Si4+、Al3+與Ca2+的結(jié)合強(qiáng)度不如跟Na+的結(jié)合強(qiáng)度強(qiáng)，所以層間的Ca2+可以被Na+取代，過程如下：

2Na++Ca-膨潤土= 2Na-膨潤土+Ca2+

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定量已經(jīng)提純過的膨潤土放置于燒杯中，再加入一定量的蒸餾水，配置成一定濃度的漿液.在一定的溫度下攪拌一定的時(shí)間，并同時(shí)加入一定量的碳酸鈉(本實(shí)驗(yàn)用碳酸鈉作為改型劑)，經(jīng)過一定的時(shí)間離心，并用蒸餾水多次洗滌得到的產(chǎn)品，研磨.過200目，裝袋備用.

1.5 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

膨脹容是膨潤土水化特性的重要參考指標(biāo)，因此實(shí)驗(yàn)中采用膨脹容作為衡量鈉化效果的依據(jù).膨脹容越大，膨潤土性能越好，說明鈉化效果越好.最后，通過日本理學(xué)公司D/max 2200PC 型衍射儀對鈉化膨潤土進(jìn)行表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤土鈉化改型效果的影響因素

2.1.1 鈉化劑用量對鈉化改型效果的影響

稱取一定量已提純過的膨潤土加蒸餾水，配成5%濃度的漿液，在恒溫水浴(T=60 ℃)中攪拌10 min，同時(shí)加入不同濃度的碳酸鈉溶液.鈉化劑用量對膨潤土鈉化改型效果的影響如圖2所示.

圖2 鈉化劑用量對鈉化改型效果的影響

由圖2可知，隨著鈉化劑用量的增加，膨脹容也隨之提高，當(dāng)鈉化劑用量超過4%時(shí)，膨脹容開始降低.這可能是因?yàn)镹a+電離率大、電動(dòng)電位高、活性強(qiáng)，使原來已到達(dá)平衡的Na+與Ca2+交換狀態(tài)受到破壞[9]，同時(shí)過多的鈉化劑使溶液的流動(dòng)性下降，影響膨潤土與改性劑的有效接觸.因此，本實(shí)驗(yàn)選用鈉化劑用量為4%.

2.1.2 礦漿濃度對鈉化改型效果的影響

稱取一定量已提純過的膨潤土加蒸餾水，配成3%、5%、7%、9%等一系列不同濃度的漿液，在恒溫水浴(T=60 ℃)中攪拌10 min，同時(shí)加入4%的碳酸鈉溶液.不同礦漿濃度對膨潤土鈉化改型效果的影響如圖3所示.

圖3 礦漿濃度對鈉化改型效果的影響

由圖3可知，隨著礦漿濃度的增大，且達(dá)到5%時(shí)，膨潤土的膨脹容略微降低，當(dāng)?shù)V漿濃度超過5%之后，膨脹容急劇下降.這可能是因?yàn)闈舛冗^高，使得膨潤土的流動(dòng)性變差，降低了分散性，影響改性劑與膨潤土的有效接觸；濃度過低將使改型效率下降，且會(huì)增加后序脫水作業(yè)的負(fù)荷.因此，本實(shí)驗(yàn)選用礦漿濃度為5%.

2.1.3 攪拌時(shí)間對鈉化改型效果的影響

稱取一定量已提純過的膨潤土加蒸餾水，配成5%濃度的漿液，在恒溫水浴(T=60 ℃)中攪拌一定的時(shí)間，同時(shí)加入4%的碳酸鈉溶液.不同攪拌時(shí)間對膨潤土鈉化改型效果的影響如圖4所示.

圖4 不同攪拌時(shí)間對膨潤土鈉化改型效果的影響

由圖4可知，隨著攪拌時(shí)間的延長，膨潤土的膨脹容也隨之增大，當(dāng)攪拌時(shí)間超過10 min時(shí)，膨脹容開始降低.這可能是因?yàn)橐古驖櫷脸浞肘c化改型，需要足夠的時(shí)間，鈣基膨潤土以結(jié)晶的形式懸浮于水中，當(dāng)膨潤土表面被充分鈉化后，會(huì)形成一層隔水膜，阻止內(nèi)部的鈣基膨潤土進(jìn)一步鈉化，但是攪拌時(shí)間過長，會(huì)惡化膨潤土的改型效果，同時(shí)造成能源和設(shè)備的損耗.因此，本實(shí)驗(yàn)攪拌時(shí)間選用10 min.

2.1.4 反應(yīng)溫度對鈉化改型效果的影響

稱取一定量已提純過的膨潤土加蒸餾水，配成5%濃度的漿液，在不同的恒溫水浴中攪拌10 min，同時(shí)加入4%的碳酸鈉溶液.不同反應(yīng)溫度對鈉化改型效果的影響如圖5所示.

圖5 反應(yīng)溫度對鈉化改型效果的影響

由圖5可知，隨著溫度的升高，膨潤土的膨脹容也增大，當(dāng)溫度超過60 ℃時(shí)，膨脹容開始下降.這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，加快了Ca2+與Na+的交換速度，擴(kuò)大了離子的運(yùn)動(dòng)范圍，使鈉化反應(yīng)的速度得以提高；但是溫度過高，加快了水分的蒸發(fā)，增大礦漿的粘度，降低了鈉化劑和礦漿的有效接觸，從而影響了鈉化效果[10].因此，本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)溫度選用60 ℃.

2.2 X射線衍射特征分析

對提純和鈉化改型后的膨潤土進(jìn)行了X射線衍射分析，結(jié)果如圖6所示.

圖6 提純土和鈉化改型土的XRD圖

由圖6可知，提純土與改型土相比，蒙脫石的層間距由原來的d(001)=1.499 64 nm降到了d(001)=1.254 18 nm.這種層間距的變化受離子勢的控制，研究表明[11]，Ca2+的離子勢≧2，能吸附兩層極性水分子層；而Na+的離子勢≦2，只能吸附一層極性水分子層.

因此，鈉化后層間距變小了；同時(shí)，譜線的寬窄或峰型反映了晶體結(jié)構(gòu)的有序度和晶粒的大小[12].X射線衍射峰的半高寬的變化，可能與結(jié)晶狀況和晶粒大小有關(guān).由XRD圖可以看出: 蒙脫石的結(jié)晶度變差，表明其活性和膠體性能增強(qiáng).

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)所用原料的主要成分是蒙脫石，是典型的鈣基膨潤土，以碳酸鈉為改型劑制備的鈉基膨潤土的膨脹容為95.4 mL/g，與提純土的膨脹容(10.4 mL/g)相比，有了顯著的提高，這為膨潤土在造紙領(lǐng)域的應(yīng)用提供了保證.

(2)通過單因素研究方法確定了最佳的鈉化工藝：Na2CO3用量為4%、礦漿濃度為5%、攪拌時(shí)間為10 min、反應(yīng)溫度為60 ℃.

[1] 溫淑瑤,馬占青,馬毅杰.酸活化對膨潤土比表面積和孔徑的影響研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(10):44-46.

[2] 汪多仁.納米膨潤土的應(yīng)用開發(fā)[J].中國粉體技術(shù),2002, 8(4):33-37.

[3] Hayati-Ashtiani M.Characterization of Nano-porous bentonite(montmorillonite) particles using FTIR and BET-BJH analyses[J].Particle and Particle Systems Characterization,2012,28(3-4):71-76.

[4] Alabarse F.G.,Conceicao R.V.,Balzaretti N.M., et al.In-stiu FTIR analyses of bentonite under high-pressure[J].Applied Clay Science,2011,51(1-2):202-208.

[5] 施里宇,李天太,張喜鳳,等.溫度和膨潤土含量對水基鉆井液流變性的影響[J].石油鉆探技術(shù),2008,36(1)：20-22.

[6] 陶 凱.膨潤土提純方法研究[J].煤炭技術(shù),2008,24(4)：125-126.

[7] 劉映堯,陳 港,唐愛民,等.改性膨潤土脫墨劑用于ONP脫墨的研究[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2011,30(1):10-12.

[8] 趙德清,陳克復(fù),平清偉,等.膨潤土在Hydrocol微粒助留體系中應(yīng)用[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2007,26(6):105-111.

[9] 蔣 沖,曹佳宏,石云良.桃源膨潤土鈉化改型研究[J].礦冶工程,2004,24(6):21-23.

[10] 姚 香.中國礦業(yè)開發(fā)2l世紀(jì)展望[J].金屬礦山,2006,35(3):1-4．

[11] 姜桂蘭,張培萍.膨潤土加工與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:8-12.

[12] 溫淑瑤,楊德涌,陳 捷.膨潤土及其酸化土、堿處理酸化土的X射線衍射特征及掃描電鏡下的表面特征分析[J].礦物學(xué)報(bào),2001,21( 3):453-456.