膠體最后一個大題

為了更加深入地揭示粘土水化、分散、造漿的本質(zhì)，掌握泥漿性能調(diào)節(jié)的基本膠體化學原理，引入擴散雙電層理論對粘土-水界面的行為機理進行分析。（一）雙電層成因與結(jié)構(gòu)由于粘土顆粒在堿性水溶液中帶負電荷（在端部則多數(shù)帶正電荷），必然要吸附與粘土顆粒帶電符號相反的離子--陽離子到粘土顆粒表面附近（界面上的濃集），形成粘土顆粒表面的一層負電荷與反離子的正電荷相對應的電層，以保持電中性（平衡）。粘土顆粒吸附陽離子使陽離子在粘土顆粒表面濃集的同時，由于分子熱運動和濃度差，又引起陽離子脫離界面的擴散運動，是粘土顆粒對陽離子的吸附及陽離子的擴散運動兩者共同作用的結(jié)果，在粘土顆粒與水的界面周圍陽離子呈擴散狀態(tài)分布，即形成擴散雙電層。更值得指出的現(xiàn)象是，這種擴散層本質(zhì)性地分成兩部分-吸附層與擴散層。吸附層吸附層是指靠近粘土顆粒表面較近的一薄層水化陽離子，其厚度一般只有幾個納米。這一薄層水化陽離子，由于與粘土顆粒表面距離近，陽離子的密度大，靜電吸引力強，被吸附的陽離子與粘土顆粒一起運動難以分離。擴散層擴散層是吸附層外圍起直到溶液濃度均勻處為止（離子濃度差為零）由水化陽離子及陰離子組成的較厚的離子層。這部分陽離子由于本身的熱運動，自吸附層外圍開始向濃度較低處擴散，因而與粘土顆粒表面的距離較遠，靜電引力逐漸減弱（呈二次方關系減弱），在給泥漿體系接入直流電源時，這層水化離子能與粘土顆粒一起向電源正極運動而相反向電源負極運動。擴散層中陽離子分布是不均勻的，靠近吸附層多，而遠離吸附層則逐漸減少，擴散層的厚度，依陽離子的種類和濃度的不同，約為10?100nm?；瑒用嫠俏綄雍蛿U散層之間的一個滑動面。這是由于吸附層中的陽離子與粘土顆粒一起運動，而擴散層中的陽離子則有一滯后現(xiàn)象而呈現(xiàn)的滑動面。熱力電位E它是粘土顆粒表面與水溶液中離子濃度均勻處之間的電位差。熱力電位的高低，取決于粘土顆粒所帶的負電量。熱力電位愈高，表示粘土顆粒表面帶的負電量愈多，能吸附的陽離子數(shù)目也愈多。電動電位Z它是滑動面處與水溶液離子濃度均勻處的電位差。電動電位取決于粘土顆粒表面負電量與吸附層內(nèi)陽離子正電量的差值。電動電位愈高，表示在擴散層中被吸附的陽離子愈多，擴散層愈厚。（二）影響電動電位的因素電動電位的大小受以下幾方面因素的影響：陽離子的種類陽離子的種類決定了陽離子電價的高低和陽離子的水化能力。當粘土顆粒吸附高價陽離子時，由于一個離子帶的電荷多，粘土顆粒表面的總電荷量一定時，吸附層中被陽離子中和的電量多，于是電動電位低，擴散層中的陽離子數(shù)目少，擴散層及粘土表面的水化膜薄，粘土顆粒易于聚結(jié)。若粘土顆粒吸附的是低價陽離子，吸附層中被陽離子中和的電量少，電動電位高，擴散層中的陽離子數(shù)目多，擴散層以及水化膜厚，粘土顆粒不易聚結(jié)。例如，鈣膨潤土用碳酸鈉處理，Na+取代Ca2+，因Na+為一價離子，且水化能力強，粘土顆粒周圍的擴散層以及水化膜厚，泥漿趨于分散穩(wěn)定。相反，配制好的泥漿使用時受鈣侵，Ca2+取代粘土表面吸附的Na+，由于Ca2+是二價離子，水化能力弱，因而粘土顆粒的水化膜變薄，泥漿由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)而失去穩(wěn)定性。陽離子濃度陽離子（例如Na+）雖水化能力強，粘土顆粒水化膜厚，泥漿穩(wěn)定，但Na+濃度有一合適的范圍，若Na+濃度過大，同樣會使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。這是因為：（1）陽離子濃度大，陽離子擠入吸附層的機會增大，結(jié)果使電動電位降低，擴散層以及水化膜變薄（即所謂擠壓雙電層），分散體系由分散轉(zhuǎn)化為聚結(jié)；（2）陽離子濃度大，陽離子數(shù)目多，陽離子本身水化不好，同時陽離子水化而奪去粘土直接吸附的水分子，因而使粘土顆粒周圍的水化膜變薄，分散體系由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)。泥漿使用時受鹽（NaCl）侵，是由于Na+過多，起了壓縮雙電層的作用，使泥漿由分散轉(zhuǎn)為聚結(jié)，甚至失去穩(wěn)定性。又如鈣膨潤土用純堿改性處理時，碳酸鈉存在有最佳加量，加量過大則起反作用，造漿量降低，泥漿性能變壞。此外，泥漿的分散穩(wěn)定或聚結(jié)，還受陰離子的影響，如鈣膨潤土改性而加入鈉鹽，加入Na2CO3而粘土顆粒分散，若加入NaCl，則粘土顆粒聚結(jié)。故泥漿處理加入無機鹽時，必須考慮陰離子的影響。（三）雙電層理論對粘土水化的應用分析由于吸附的陽離子水化，使粘土顆粒周圍形成水化膜。電動電位愈高，擴散層愈厚，粘土顆粒周圍的水化膜也愈厚，阻隔作用的增強使粘土顆粒在運動時愈不易因碰撞而粘結(jié)，粘土顆粒的水化分散效果便愈穩(wěn)定；電動電位愈高，粘土顆粒之間的斥力愈大，分散性就愈強。因此，粘土顆粒表面帶電量一定時，粘土顆粒在懸浮液中的水化分散穩(wěn)定性主要取決于電動電位的高低。雙電層理論的這一重要結(jié)論對鉆井而言，具有兩個方面的實際應用意義。（1）.雙電層理論對鉆井泥漿應用的指導意義在于：原生膨潤土礦多為鈣膨潤土，造漿時加入一價鈉鹽，提供Na+，因離子交換吸附，擴散雙電層中陽離子由Ca2+轉(zhuǎn)為Na+，Z電位升高，擴散層增厚，粘土分散，泥漿穩(wěn)定。泥漿受鈣侵時，Ca2+的濃度增大，擴散雙電層中Na+轉(zhuǎn)為Ca2+，Z電位下降，擴散層變薄，粘土顆粒聚結(jié)，泥漿失去穩(wěn)定性。為處理泥漿而加入低價陽離子電解質(zhì)時，應嚴格控制加量，過量會起壓縮擴散層的副作用，同時必須考慮陰離子的影響。可以通過加入低價或高價陽離子無機處理劑來調(diào)節(jié)泥漿的分散或適度聚結(jié)，用以配制不同種類（分散的或適度聚結(jié)的）的泥漿。（2）.從井壁穩(wěn)定的角度來看，雙電層理論也有重要的指導意義：若所鉆地層的膨潤土含量較高，在外界陽離子的作用下，Z電位升高，水化分散性增強，易使井壁水化分散，給鉆井工作帶來井眼縮徑、垮塌等不利影響。因此，在石油天然氣鉆井、基礎工程鉆掘及其他遇到泥巖、頁巖、粘土等地層鉆進時，采取壓縮雙電層，降低Z電位的措施，能使井壁、槽壁的穩(wěn)定性增強。（四）正電荷擴散雙電層在酸性和中性的粘土懸浮液中，粘土片端部的Al-OH和Si-O鍵的OH-和O2-，因電離或斷鍵而離去，于是粘土顆粒的端部便帶正電荷，形成帶正電荷的擴散雙電層。因為正電荷與粘土層面所帶的負電荷相比是較少的，故就整個粘土顆粒而言，所帶的凈電荷是負的。粘土顆粒表面所帶電荷的性質(zhì)與溶液pH值有關。當pH值由酸性轉(zhuǎn)為堿性且pH值不斷升高時，帶正電荷的端