膨润土钠化改性试验研究

王明明

（胜利石油管理局 黄河钻井总公司钻井四公司，山东 东营 257000）

膨润土钠化改性试验研究

王明明

（胜利石油管理局 黄河钻井总公司钻井四公司，山东 东营 257000）

钠基膨润土因具有诸多优良性能而得到了广泛应用。通过分析钙基膨润土钠化改性原理，对钙基膨润土钠化改性进行试验研究。分别考察不同钠化剂、反应温度、反应时间、钠化剂加量、体系p H值等因素对钠化效果的影响，并对改性后钠基膨润土进行元素分析。结果表明：采用碳酸钠为钠化剂，加量为原土矿质量的4%，反应温度为80℃，反应时间为2 h，p H值为8～9时，膨润土改性后膨胀容由原来的8 m L／g提高到27 m L／g，胶质价由原来的12 m L／（15 g）提高到73 m L／（15 g）；改性后的膨润土为典型的钠基膨润土。

钙基膨润土；钠基膨润土；改性；膨胀容；胶质价

膨润土是以蒙脱石矿物为主要成分的黏土矿。蒙脱石晶体是由两层Si－O四面体和一层Al－O八面体构成。由于晶格取代作用，蒙脱石晶体表面吸附了可交换阳离子［1］。蒙脱石的这种特殊结构决定了在一定的外界条件下，晶体结构中的吸附阳离子能被电性相同、荷电量接近的离子交换。作为一种非金属矿物，由于晶层表面吸附离子类型的差异，天然膨润土一般分为钠基土和钙基土。钙基土由于质量不稳定，性能差，应用价值不高；而钠基土因其具有优异的吸水性和分散性，其分散在水中能形成具有一系列优良性能，如剪切稀释性、悬浮性、触变性、润滑性、热稳定性等，广泛应用于工业生产的诸多领域。在石油钻井工程中，优质的钠基土作为水基钻井液重要的配浆材料，能起到增黏提切、降低滤失量等作用。目前我国的膨润土资源中钙基土占绝大多数，达到90%，而天热的优质钠基土矿稀缺，产品短缺，因此通过钠化改性提升膨润土的综合应用性能，具有重要的研究意义［2－5］。

1 钙土钠化分析

蒙脱石的晶体为由两层硅氧四面体夹一层铝（镁）氧（氢氧）八面体的类似三明治的构造，属于2∶1型层状黏土矿物。由于晶格取代现象，导致蒙脱石晶层间电荷不平衡产生过剩的负电荷。该负电荷可通过黏土晶层表面吸附可交换性阳离子得到补偿。根据可交换阳离子的种类及性质，交换后形成的蒙脱石表现出不同的水化分散性质。钠离子由于具有较大的离子半径和水化半径，因而钠基土表现出优良的水化性能［6］。钙基膨润土层间主要吸附了钙、镁等金属离子。当钙基膨润土分散在水中，体系中同时存在钙离子和钠离子时，将发生如下反应：

从而完成钠化改性过程，该反应主要受离子质量浓度及温度等因素影响。

2 试验材料及步骤

2.1 试验材料和仪器

主要材料包括钙基膨润土矿粉（潍坊华潍膨润土集团股份有限公司）；钠化剂主要有氯化钠、氟化钠、氢氧化钠、碳酸钠（国药集团化学试剂有限公司），分析级。

主要试验仪器有电动搅拌机、电子天平、旋片式真空泵、恒温水浴锅等。

2.2 试验方法

在300 m L去离子水中加入30 g原钙基土粉，充分搅拌分散形成一定质量浓度的悬浮液。然后加入一定量的钠化改性剂，加热至一定温度，调节搅拌速度进行反应，反应过程中调节体系的p H值。反应结束后，待浆液冷却至室温后进行抽滤，然后在105℃下烘干。将烘干所得物研磨过200目即得到改性后的钠基膨润土。

2.3 评价方法

从石油行业特点出发，考虑膨润土作为黏土矿物具有水化分散的特征，采用膨胀容和胶质价两个参数作为考察钠基膨润土质量的指标。根据文献可知，膨胀容和胶质价两个指标值越高。

3 钠基膨润土制备条件优化

根据试验设计原理，试验首先将土粉质量固定为30 g，加水量固定为300 m L，综合考察钠化剂类型及加量、反应时间、反应温度和反应体系的p H值等因素对钠化效果的影响，最终优化出钠基膨润土制备条件。

3.1 钠化剂种类对钠化效果的影响

采用了 Na HCO3、Na2CO3、NaOH、NaCl、NaF等几种常见的钠化剂进行实验，由表1可以看出，Na2CO3和NaF的改型效果最好，膨胀容值分别为48和69 m L／g，而NaCl改型效果最差。考虑到高温时氟易造成污染，且采用NaF、Na OH钠化生成CaF、Ca（OH）2沉淀或形成胶体，导致反应后固液分离困难；而Na2CO3成本较低，来源较广，且钠化效果较好，因此采用Na2CO3作为钠化剂。

表1 钠化剂种类对钠化效果的影响

3.2 反应温度对钠化效果的影响

钠化剂采用NaCO3，考察不同温度下钠化效果，试验条件为3%Na2CO3，1.5 h，未调p H 值。从图1可知，随着反应温度的升高，钠化后膨润土的膨胀容和胶质价均逐渐提高，表明在一定温度范围内升高温度能够改善钠化效果。当反应温度达到80℃时，膨胀容和胶质价均达到最大值，表明该温度为最佳值。继续升高温度，膨胀容和胶质价反而下降，表明钠化效果变差，这可能是温度升高加剧了离子运动，破坏了钠离子与钙镁离子的交换平衡。因此，确定最佳反应温度为80℃。从节能环保的角度出发，可以进一步研究低温下钠化效果。

图1 不同温度对钠化效果的影响

3.3 反应时间对钠化效果的影响

设定反应条件为：3%Na2CO3，80℃，未调p H值，考察反应时间对钠化效果的影响。从试验结果（图2）可以看出，随着反应时间的延长，膨胀容和胶质价均增加，表明钠化效果越来越好。当反应时间为2 h时，膨胀容和胶质价变化不大，说明反应基本达到平衡。进一步增加反应时间，膨胀容和胶质价反而减少，这可能是反应过程过长破坏了离子交换平衡。因此确定2 h为最佳反应时间。

图2 反应时间对钠化效果的影响

3.4 钠化剂用量对钠化效果的影响

设定反应条件为：80℃，1.5 h，未调p H值，考察钠化剂用量对钠化效果的影响。从试验结果（图3）可以看出，在NaCO3加量较小时，钠化效果随着NaCO3加量增加而变好。但当NaCO3超过一定用量时膨胀容和胶质价反而降低，钠化效果变差。由于钠离子在高含量时会有更多的钠离子进入黏土扩散双电层中，压缩扩散双电层，导致黏土颗粒絮凝聚并，不能形成稳定的胶体分散体系，导致钠化效果变差。综合考虑试验结果和经济成本，针对本试验采用的土粉，选用相当于4%原矿粉质量的Na2CO3作为改型的用量最合适。

图3 碳酸钠加量对钠化效果的影响

3.5 p H值对钠化效果的影响

设定反应条件为：3%Na2CO3，1.5 h，80℃，进一步考察p H值对钠化效果的影响。

由于碳酸钠溶液本身就呈碱性，在实际中用盐酸溶液调节体系的p H值。从图4可以看出，膨胀容和胶质价随着p H值的增加都增大，表明升高体系的p H值有利于钠化反应的进行，而当体系p H值为弱碱性时钠化效果最好，p H＝8为钠化的最佳条件。各因素对钠化效果的影响程度依次为：p H值＞钠化剂的用量＞反应时间＞反应温度。可见温度对钠化效果影响程度最低，因此在实际生产中可采用较低的温度。

图4 p H值对钠化效果的影响

在最佳条件下对原土进行钠化改性验证试验，并与原矿粉进行对比，所得结果如表2所示。从表2可知，改性后钠基土膨胀容和胶质价均有大幅度提高。通过元素分析可知，钙基土原矿经钠化改性后SiO2含量下降，CaO含量下降，Na2O含量大大提高，说明原矿钠化改性效果显著。通过全矿矿物分析可知，经过钠化提纯后，石英和方石英等非黏土矿物含量有所下降，而黏土矿物含量大幅度上升；同时，膨胀容由原来的8增加至27m L／g，胶质价由12提高到 73 m L／（15 g），表明钠化提纯效果较为明显。

表2 改型后钠基土与原土的比较%

4 结 论

考察钙基土钠化各个影响因素，通过钠化改型试验得出最佳钠化条件为：将30 g钙基土分散于300 m L水中，加入4%碳酸钠，调节体系p H值为8～9，80℃下搅拌反应2 h。钠化后的膨润土的膨胀容和胶质价较钠化前原土有较大的提高。将改性后钠基膨润土进行元素分析、可知经过钠化改性的膨润土为典型的优质钠基膨润土。

［1］ 侯莉，易发成，周佳荣，等.对钙基膨润土钠化改型研究［J］.中国矿业，2006（12）：77－79.

［2］ 刘洪杰，邹容，梁玉祥，等.膨润土钠化工艺条件研究［J］.硅酸盐通报，2009，28（4）：61－66.

［3］ 胡雪峰，管俊芳，曹明礼，等.鄂州钙基膨润土钠化改型研究［J］.非金属矿，2009，32（1）：1－4.

［4］ 刘芳芳，戴亚堂，张欢，等.钙基膨润土的钠化改性研究［J］.非金属矿，2010，33（6）：37－40.

［5］ 叶力佳，刘建远.低品位膨润土的提纯及其钠化工艺条件优化研究［J］.矿冶，2008，17（3）：21－25.

［6］ 李彩霞，任瑞晨，董庆国，等.膨润土钠化改性性能实验研究［J］.辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2009，28（4）：649－651.

TD985 < class="emphasis_bold">［文献标识码］A［文章编号］

1673－5935（2012）01－0015－03

2012－01－05

王明明（1983－），男，山东潍坊人，胜利石油管理局黄河钻井总公司钻井四公司助理工程师，主要从事现场技术服务研究。

［责任编辑］ 印树明