膨潤土的鈉化處理課件

第九章粘土礦物加工工藝第九章粘土礦物加工工藝1主要教學(xué)內(nèi)容：膨潤土概述;*膨潤土的鈉化技術(shù)；#產(chǎn)品的性能測定。教學(xué)目的要求：掌握膨潤土的鈉化工藝；掌握鈉基膨潤土的性能測試方法；了解膨潤土的屬性、性質(zhì)及用途。主要教學(xué)內(nèi)容：2教學(xué)方法與手段：講授；多媒體討論、思考題、作業(yè)：膨潤土鈉化改型的原理。與干法改型相比濕法改型的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？參考資料：姜桂蘭，張培萍等編。膨潤土加工與應(yīng)用。北京：化學(xué)工業(yè)出版社。2005。楊雅秀，張乃嫻著。中國粘土礦物。北京：地質(zhì)出版社。1994。教學(xué)方法與手段：39.1概述9.1.1膨潤土的礦物組成及蒙脫石的結(jié)構(gòu)1、礦物組成主要礦物為蒙脫石，其次伊利石、長石及石英等。其性質(zhì)取決于蒙脫石。2、蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)9.1概述4蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)5蒙脫石的掃描電鏡照片×2萬、5千倍蒙脫石的掃描電鏡照片×2萬、5千倍6

9.1.2

膨潤土屬性分類膨潤土的可交換性陽離了種類、數(shù)量和比例，在膨潤土實(shí)用工藝技術(shù)上具有重要意義，它是評價(jià)膨潤土質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，又是劃分屬性的依據(jù)。

1、堿性系數(shù)法(ENa+十EK+／ECa２+十EMg２＋)來劃分（歐美國家）。

(1)鈉基膨潤土：堿性系數(shù)＞1。

(2)鈣基膨潤土：堿性系數(shù)＜1。膨潤土的鈉化處理課件72、交換性陽離子法2、交換性陽離子法8膨潤土的鈉化處理課件9我們國家《膨潤土礦地質(zhì)勘探規(guī)范》采用的屬性分類如下：我們國家《膨潤土礦地質(zhì)勘探規(guī)范》采用的屬性分類如下：10類型陽離子交換容量pH值膠質(zhì)價(jià)膨脹倍吸藍(lán)量鈉基土75-1008.5-10.6100%20-3020-30鈣基土60-1006.4-8.550%幾-十幾十幾若可交換性陽離子沒有超過交換容量50％時(shí)，則以最多交換量的兩種陽離子進(jìn)行復(fù)合命名。鈉基土與鈣基土的主要區(qū)別見下表。類型陽離子交換容量pH值膠質(zhì)價(jià)膨脹倍吸藍(lán)量鈉基土75-100119.1.3蒙脫石的性能1、晶格置換2、電負(fù)性；3、離子交換性。蒙脫石對幾種陽離子的交換能力順序：Li+＜Na+＜K+＜NH4+＜＜Mg2+

＜Ca2+

＜Ba2+4、膨脹性5、分散懸浮性6、觸變性、可塑性及粘結(jié)性7、吸附性8、化學(xué)穩(wěn)定性9.1.3蒙脫石的性能129.2人工改型鈉基土（鈉化改型）1、原理：將外加的鈉離子擠壓插入蒙脫石層間，進(jìn)行陽離子交換，形成鈉蒙脫石。（交換性）2、改型劑（鈉化劑）：鈉鹽。3、鈉化方法(1)堆場法鈉化：干粉+3-5%鈉鹽（溶解）-拌勻—堆放（30%水分）--老化（7-10天）--干燥—磨粉。9.2人工改型鈉基土（鈉化改型）13膨潤土鈉化因素-水平表

（2）懸浮法土＋純堿－礦漿（１：１０)—在一定溫度下攪拌－脫水－干燥－粉磨．與濕法提純結(jié)合使用．以碳酸鈉為改型劑的濕法改型工藝如下：純堿用量反應(yīng)溫度反應(yīng)時(shí)間因素６％60℃1.5h水平７７０2８８０2.5膨潤土鈉化因素-水平表（2）懸浮法純堿用量反應(yīng)溫度反應(yīng)因６14

膨潤土鈉化正交實(shí)驗(yàn)表

因素A(%)B(℃)C(h)膨脹容ml/15g１６６０1.5５５２６７０２５８３６８０2.5５６４７６０２６２５７７０2.5６４６７８０1.5６０７８６０2.5６３８８７０1.5６０９８８０２５９膨潤土鈉化正交實(shí)驗(yàn)表因素A(%)B(℃)C(h)膨脹15膨潤土的鈉化處理課件16（３）擠壓鈉化法輪碾鈉化法：輪碾機(jī)碾壓－老化．雙螺旋鈉化法：雙螺旋混料機(jī)混合（礦粉＋鈉鹽＋３０％水）－干燥－粉碎．螺旋阻流擠壓鈉化法：螺旋混煉機(jī)混煉并造粒對輥擠壓：原料小于５毫米＋堿液－擠壓－干燥．４．性能測試層間距及上述性質(zhì)．（３）擠壓鈉化法17d＝1.51nm;2θ

＝5.85°d＝1.23nm,2θ

＝7.15°d＝1.51nm;2θ＝5.85°d＝1.23nm,2θ185.用途廣泛用于油田，鉆井泥漿。以優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土為原料制備膠體級漿料．一類為泥漿：以水為載體，膨潤土為增稠劑；另一類為油漿，以柴油或原油為載體，需要有機(jī)膨潤土．5.用途199.3膨潤土凝膠制備代替聚合物用于牙膏、化妝品等行業(yè)。制備過程分四個(gè)階段：1、精選提純：選用高純天然鈉基或人工鈉基膨潤土；2、邊緣改性：用磷酸鹽或焦磷酸鈉。降低粘度，便于提純。3、膠凝：用高價(jià)陽離子使蒙脫石顆粒重新締合。加入高價(jià)鹽，與磷酸鹽反應(yīng)，解除磷酸鹽原來的作用。提高粘度及觸變性。49.3膨潤土凝膠制備209.4４A合成沸石一種典型的酸處理衍生物。一種新型洗滌劑助劑，代替三聚磷酸鈉。1.工藝流程及化學(xué)反應(yīng)酸處理膨潤土形成硅凝膠，再加入一定量鋁酸鈉和氫氧化鈉，調(diào)整到符合NaA合成沸石的摩爾比，在一定條件下成膠、晶化、過濾即得到NaA沸石。9.4４A合成沸石21反應(yīng)式：12SiO2+12NaAlO2+27H2O—Na12[AlO2.SiO2]12.27H2O.反應(yīng)式：12SiO2+12NaAlO2+27H2O—Na12222.工藝條件：(1)酸化階段：土：酸＝100：2-10；溫度100；酸濃度10-50%(2)偏鋁酸鈉加入量比：Na2O/Al2O3=1.5(mol)，2-3小時(shí)；2.工藝條件：23(3)成膠階段：Si/Al=2.8-3.0保溫老化0.5-4小時(shí)，凈化時(shí)間數(shù)小時(shí)，分離后水分30-20%，母液含堿4-5%，值9-10；干燥溫度100，產(chǎn)品含水15-20%。(3)成膠階段：Si/Al=2.8-3.0243、物料平衡計(jì)算以生產(chǎn)每噸沸石為準(zhǔn)，計(jì)算其它組分的用量。344?；九浔龋毫蛩幔?3%）0.618；膨潤土0.980；氫氧化鋁0.504；氫氧化鈉1.237；30%堿液；軟水10噸。3、物料平衡計(jì)算254、漂白處理根據(jù)要求可以在40℃溫度下進(jìn)行還原漂白工藝。如化妝品凝膠的基本生產(chǎn)工藝：礦石—粉碎—浸泡—攪拌—除砂—表面改性—邊緣改性—提純—漂白—凝膠化—產(chǎn)品。產(chǎn)品性能：吸藍(lán)量98.77mmol/100g，陽離子交換容量70.37mmol/100g膨脹容85，pH值8.4，白度78.4、漂白處理26產(chǎn)品性能：吸藍(lán)量98.77mmol/100g，陽離子交換容量70.37mmol/100g，膨脹容85，pH值8.4，白度78。產(chǎn)品性能：279.5活性白土酸性白土：天然產(chǎn)出的具有酸性、催化性能的黏土礦物。活性白土：以鈣基膨潤土為原料經(jīng)過酸處理后的產(chǎn)品。9.5活性白土281、原理用無機(jī)酸（硫酸多用）浸泡膨潤土，膨潤土中的金屬離子會被酸溶解出來一部分，孔隙增大，比表面積增加，提高了吸附能力及催化能力。2、生產(chǎn)工藝原礦—破碎—粉磨—活化—水洗—過濾—干燥—粉磨。1、原理293、工藝條件：破碎、粉磨：-20；-200目占80%；液固比為4：1或更大；酸用量10-20%，12-15kg/t；溫度100℃；時(shí)間6-8小時(shí)；水洗后pH＞4-5。3、工藝條件：30不足：用水量大，污染環(huán)境。采用干法處理避免上述問題。對設(shè)備要求高。在活化旋轉(zhuǎn)筒進(jìn)行，酸用量是濕法10%。效果差點(diǎn)。也可以用半干法，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)。不足：用水量大，污染環(huán)境。314、衡量指標(biāo):細(xì)度、水分、游離酸、脫色力、脫色率、活性度、白度等。李桂香等化工礦物與加工，1995（4）。陳德玲等。陜西化工1996（2）4、衡量指標(biāo):32主要教學(xué)內(nèi)容：*膨潤土的有機(jī)化處理;聚合物/膨潤土納米復(fù)合材料的制備#產(chǎn)品的性能測定。主要教學(xué)內(nèi)容：33教學(xué)目的要求：掌握有機(jī)膨潤土及聚合物/膨潤土納米復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝；掌握產(chǎn)品的性能測試方法；了解納米復(fù)合材料的用途教學(xué)目的要求：34教學(xué)方法與手段：講授；多媒體討論、思考題、作業(yè)：影響有機(jī)膨潤土性能的因素有哪些？熔融插層法制備納米復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)？如何衡量聚合物/膨潤土納米復(fù)合材料的性能？教學(xué)方法與手段：35參考資料：姜桂蘭，張培萍等編。膨潤土加工與應(yīng)用。北京：化學(xué)工業(yè)出版社。2005。楊雅秀，張乃嫻著。中國粘土礦物。北京：地質(zhì)出版社。1994。漆宗能，尚文宇。聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料理論與實(shí)踐?；瘜W(xué)工業(yè)出版社。2002。參考資料：36

9.6有機(jī)膨潤土主要內(nèi)容回顧：膨潤土的分類及性能；膨潤土的鈉化處理；產(chǎn)品性能表征。9.6有機(jī)膨潤土37一、概述1、概念利用蒙脫石的離子交換性使有機(jī)陽離子置換蒙脫石礦物表面及層間原先吸附的陽離子，使其性能發(fā)生改變，這種經(jīng)有機(jī)物處理后的膨潤土，稱為有機(jī)膨潤土。鈉基膨潤土經(jīng)表面活性劑處理以后得到的產(chǎn)物，即有機(jī)膨潤土。2、用途（為什么做？）一、概述38二、有機(jī)膨潤土的結(jié)構(gòu)及制備原理1、結(jié)構(gòu)二、有機(jī)膨潤土的結(jié)構(gòu)及制備原理392、制備的原理Ca-Benton+Na+----Na-Benton+Ca2+Na-Benton+[NH4-nRn]Cl----BentonNH4-nRn+NaClR為有機(jī)基團(tuán),Benton為膨潤土；n=1～42、制備的原理40三、制備工藝（怎麼做？）有機(jī)膨潤土的制備上藝可分為三種，即干法、濕法和預(yù)凝膠法。1.干法工藝原料為鈉基土（純），可以直接鈉化。鈉基土中含有20-30%的水分。三、制備工藝（怎麼做？）41精選鈉基膨潤土+覆蓋劑—混合—擠壓—干燥—粉碎—包裝精選鈉基膨潤土+覆蓋劑—混合—擠壓—干422、濕法工藝2、濕法工藝2、濕法工藝2、濕法工藝43一般與濕法提純、濕法鈉化結(jié)合進(jìn)行。(1)、制漿：礦漿濃度通常為10％左右。實(shí)際操作中為1：10。一般與濕法提純、濕法鈉化結(jié)合進(jìn)行。44(2)、改型活化：膨潤土中，以鈉基膨潤土和鋰基膨潤土最好。因此，有些膨潤土在有機(jī)處理前通常先進(jìn)行鈉化改型處理。注意：洗滌、過濾的速度。(2)、改型活化：45（3）、有機(jī)覆蓋：將礦漿加熱到60—80℃，加入有機(jī)覆蓋劑，再連續(xù)攪拌60分鐘，使其充分反應(yīng)，然后洗滌、過濾、干燥并粉碎至通過200目篩．覆蓋劑的用量視原土的交換量而定。一般近似于膨潤土的陽離子交換容量。（3）、有機(jī)覆蓋：463、預(yù)凝膠法(濕法的延續(xù))在有機(jī)覆蓋過程中加入有機(jī)溶劑(如礦物油)，把疏水的有機(jī)膨潤土復(fù)合物萃取進(jìn)入有機(jī)相分離出水相，再蒸發(fā)除去殘留水分，直接制成有機(jī)膨潤土預(yù)凝膠。3、預(yù)凝膠法(濕法的延續(xù))474、設(shè)備是一些通用設(shè)備。各種單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)；恒溫水域浴電動(dòng)攪拌機(jī)，真空泵，干燥箱，小型粉碎機(jī)。4、設(shè)備48干法與濕法的對比：干法：工藝簡單，效果稍差；使用受限制。濕法：工藝過程復(fù)雜，但處理效果好。干法與濕法的對比：49鈣基膨潤土與有機(jī)膨潤土電鏡照片鈣基膨潤土與有機(jī)膨潤土電鏡照片50有機(jī)膨潤土的電鏡照片有機(jī)膨潤土的電鏡照片51四、性能表征（是不是？）１.X射線分析最直接、最有效的方法之一。觀察2θ及d(001)值的變化規(guī)律。四、性能表征（是不是？）52膨潤土的鈉化處理課件53d＝1.23nm,2θ

＝7.15°

d＝1.51nm;2θ

＝5.85°

d=1.955nm

2θ=4.5°

d＝1.23nm,d＝1.51nm;d=1.955nm2542.測有機(jī)膨潤土的粘度根據(jù)粘度的大小確定有機(jī)處理的效果。在涂料中起增稠及防流掛的作用。有專門的測定方法（行規(guī)）。2.測有機(jī)膨潤土的粘度553、紅外光譜分析3、紅外光譜分析56膨潤土的鈉化處理課件57五、影響因素（怎么做好？）１．膨潤土的質(zhì)量(內(nèi)因)純度粒度交換容量等；五、影響因素（怎么做好？）58２.有機(jī)覆蓋劑(外因1)（1）種類:選擇那些親油性強(qiáng)的長鏈有機(jī)銨鹽，尤其是季銨鹽作覆蓋劑，其長鏈烷基碳原子數(shù)應(yīng)大于12。一般選擇16或18.２.有機(jī)覆蓋劑(外因1)59（2）用量:一般近似于膨潤土的陽離子交換容量。取決于用途。如：涂料中要求粘度≥0.9即可。例如：利用濰坊膨潤土制備有機(jī)膨潤土。（2）用量:60有機(jī)改性劑種類對蒙脫石層間距的影響改性劑類型改性劑用量％反應(yīng)溫度℃

反應(yīng)時(shí)間h

d(001)/nm四甲基氯化胺207521.39溴化十六烷207521.88硅烷207521.38十六烷／四甲基207521.43有機(jī)改性劑種類對蒙脫石層間距的影響改性劑類型改性劑用量反應(yīng)溫61改性劑用量與有機(jī)土黏度及層間距的關(guān)系CATB與蒙脫石的質(zhì)量比/%粘度/(Pa·s)d(001)/nm100.781.769150.91（涂料＞0.9）1.885201.051.955251.112.048改性劑用量與有機(jī)土黏度及層間距的關(guān)系CATB與蒙脫石的質(zhì)量比62３.工藝條件(外因2)漿體濃度酸堿度反應(yīng)溫度反應(yīng)時(shí)間礦漿濃度約10%，溫度60-95℃，弱堿性條件下反應(yīng)時(shí)間30-90分鐘。３.工藝條件(外因2)63反應(yīng)時(shí)間h0.511.52粘度/Pa·s)1.0121.1311.2361.207反應(yīng)時(shí)間與粘度的關(guān)系反應(yīng)溫度℃40506070粘度/Pa·s)1.1211.2051.2291.214反應(yīng)溫度與粘度的關(guān)系反應(yīng)時(shí)間0.511.52粘度/Pa·s)1.0121.13164由試驗(yàn)可知各種外部條件對改性效果的影響程度：改性劑種類＞用量＞礦漿濃度＞酸堿度＞反應(yīng)時(shí)間＞反應(yīng)溫度。由試驗(yàn)可知各種外部條件對改性效果的影響程度：659.7聚合物/膨潤土納米復(fù)合材料的制備一、聚合物/層狀硅酸鹽(PLS)納米復(fù)合材料聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料是將蒙脫石、凹凸棒石、高嶺石、滑石等粘土礦物以納米尺度分散在聚合物中所形成的一類新型復(fù)合材料。納米復(fù)合材料是指分散相尺度至少有一維小于100納米的復(fù)合材料。9.7聚合物/膨潤土納米復(fù)合材料的制備66具有高耐熱性、高強(qiáng)度、高模量、低膨脹系數(shù)等優(yōu)越性能。綜合無機(jī)物及有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)。用于航空、汽車、船舶、電子、建筑、石油化工等行業(yè)。具有高耐熱性、高強(qiáng)度、高模量、低膨脹系數(shù)等優(yōu)越性能。67二、分類根據(jù)復(fù)合材料中粘土片層在聚合物基體內(nèi)的分散狀態(tài)不同，聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料可分為以下三類。（1）常規(guī)復(fù)合材料：復(fù)合材料中粘土保持原有的聚集狀態(tài)，粘土的片層間未發(fā)生擴(kuò)展的變化，蒙脫石僅起到常規(guī)填料的作用。二、分類68插層型納米復(fù)合材料剝離型納米復(fù)合材料插層型納米復(fù)合材料69（2）插層型納米復(fù)合材料：層間距明顯增大，但片層與片層的排列仍是規(guī)整有序的。（3）剝離型納米復(fù)合材料：聚合物大量進(jìn)入蒙脫石片層間，疊層結(jié)構(gòu)被徹底破壞，片層以單一片層狀無序而均勻地分散于聚合物中。（2）插層型納米復(fù)合材料：70三、制備方法插層法是制備聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料的方法。插層法是將有機(jī)物單體或聚合物（液體、熔體）插入層狀硅酸鹽片層間，使層狀硅酸鹽以厚度1nm左右的片層分散于基體中，形成納米復(fù)合材料。三、制備方法71插層法又分為原位插層聚合法和聚合物插層法。1、插層聚合法是使有機(jī)物單體通過擴(kuò)散和吸引等作用力進(jìn)入層狀硅酸鹽片層間，然后引發(fā)聚合，利用聚合熱把片層打開，形成納米復(fù)合材料。插層法又分為原位插層聚合法和聚合物插層法。722、聚合物插層法是使聚合物分子通過溶劑的作用或機(jī)械剪切等物理作用插入層狀硅酸鹽的片層間而形成納米復(fù)合材料。2、聚合物插層法73（1）聚合物溶液插層是聚合物大分子鏈在溶液中借助于溶劑而插層進(jìn)入蒙脫土的硅酸鹽片層間,然后再揮發(fā)除去溶劑。這種方式需要合適的溶劑來同時(shí)溶解聚合物和分散粘土,而且大量的溶劑不易回收,對環(huán)境不利。（1）聚合物溶液插層74（2）聚合物熔融插層是聚合物在高于其軟化溫度下加熱,在剪切力作用下直接插層進(jìn)入蒙脫土的硅酸鹽片層間。（2）聚合物熔融插層75是有機(jī)處理的繼續(xù)。四、工藝流程及設(shè)備有機(jī)蒙脫石+聚合物—混合—擠出造?！稍铩⑺艹尚汀脴印阅軠y試?；蛩?zé)捘z+助劑+有機(jī)蒙脫石—壓片—硫化—制樣—測試。是有機(jī)處理的繼續(xù)。76五、性能表征測試復(fù)合材料的力學(xué)性能蒙脫石層間距的變化透射電鏡觀察復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。五、性能表征77六、影響因素隨原料而不同。共同點(diǎn)是有機(jī)蒙脫石的加入量；加工條件等外部因素。六、影響因素78（一）以聚丙烯為基體，以有機(jī)蒙脫石為增強(qiáng)體，采用熔融插層法制備納米復(fù)合材料。１．原料：PP２．加工：首先用高速混合機(jī)將有機(jī)蒙脫石與聚丙烯粉料混合均勻；然后用雙螺桿擠出機(jī)將混合好的物料擠出、造粒；（一）以聚丙烯為基體，以有機(jī)蒙脫石為增強(qiáng)體，采用熔融插層法制79雙螺桿擠出機(jī)雙螺桿擠出機(jī)80膨潤土的鈉化處理課件81膨潤土的鈉化處理課件82用注塑成型機(jī)將粒料注塑加工成為標(biāo)準(zhǔn)樣條。注塑的溫度為230℃。有機(jī)蒙脫石的用量分別為基體的：1%，3%，5%。３．產(chǎn)品性能檢測：用電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)；簡支梁（懸臂梁）式?jīng)_擊機(jī)。用注塑成型機(jī)將粒料注塑加工成為標(biāo)準(zhǔn)樣條。83樣品編號蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%抗拉強(qiáng)度/MPa抗彎強(qiáng)度/MPa缺口沖擊強(qiáng)度/(J/m2)斷裂伸長率/%P0035.3139.6526.19389P1137.5642.3228.23343P333