膨润土的钠化工艺研究

林 涛， 任建晓， 殷学风

(陕西科技大学 轻工与能源学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

膨润土的主要成分是蒙脱石，它是一种重要的非金属矿产[1].世界膨润土资源十分丰富，分布甚广，但大部分天然膨润土为钙基膨润土，其占总储量的75%[2].钙基膨润土性能不稳定，很难达到工业部门的直接应用标准.而钠基膨润土却具有很好的物理化学性质：分散性好，胶体溶液的触变性、黏度、润滑性很好，吸附性、膨胀容大，pH值高，热稳定性好等性能.因此钠基膨润土具有很好的应用前景和使用价值[3,4].

对于膨润土在各领域中的应用，已经受到了研究人员的密切关注.其中，施里宇[5]等人采用正交试验方法研究了不同温度、不同膨润土加量条件下对水基钻井液流变性的变化.结果表明，膨润土含量变化影响水基钻井液的高温高压流变性;陶凯[6]对膨润土提纯进行了研究，并对各种提纯方法的优缺点进行了分析；刘映尧[7]等人将改性膨润土用于ONP脱墨的研究.结果表明，改性膨润土脱墨剂对ONP的浮选白度增值为8.70% ISO、残余油墨降值(ERIC值)为610.00 mg /kg、胶黏物降值为241 个/kg、纤维流失为0.64%，用皂类型脱墨剂、表面活性剂复配型脱墨剂与之对比具有一定的优势；赵德清[8]等人详细地论述了膨润土在Hydrocol微粒助留体系中的应用, 包括膨润土的理化特性、Hydrocol微粒助留体系的作用机理，以及膨润土微粒体系在纸厂的应用等.

辽宁建平膨润土开发技术含量低，产品比较单一.因此，作者对其进行了改型研究.本文将采用湿法进行钠化工艺的研究，在单因素研究方法的基础上探索最佳的钠化工艺条件.这可为后续改型提供一定的基础，将使得改型后的膨润土在造纸领域中的应用变得更加广泛.

1 实验部分

1.1 实验材料

天然膨润土取自辽宁建平，经破碎、研磨，提纯精制过200目.所用膨润土的物理性质见表1.XRD图谱如图1所示.从中可以看出，原矿的主要成分为蒙脱石，杂质矿物也比较简单，主要为石英、云母、长石等.另外，原矿的特征峰d(001)值为1.582 53 nm，而且峰形尖锐，峰脚较窄，是典型的钙基膨润土特征.

表1 辽宁建平天然膨润土的物理性质

图1 建平天然膨润土的XRD图

1.2 试剂与仪器

(1)试剂：1 mol/L盐酸溶液、1%焦磷酸钠溶液、0.2%亚甲基蓝溶液、50%乙醇溶液、0.1 mol/L氯化铵溶液+乙醇溶液、0.1%酚酞指示剂、35%中性甲醛、氧化镁、碳酸钠.所用试剂均为分析纯.

(2)仪器：电热恒温水浴锅(北京科伟永兴仪器有限公司)、恒温鼓风干燥箱(陕西天美科学仪器有限公司)、LD4-2A低速离心机(北京医用离心机厂)、X-射线衍射仪(日本理学公司 D/max 2200PC)、RW20数显型顶置式搅拌器(IKA®公司).

1.3 实验原理

膨润土是具有两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体所组成的2∶1型晶体结构.由于Si4+、Al3+与Ca2+的结合强度不如跟Na+的结合强度强，所以层间的Ca2+可以被Na+取代，过程如下：

2Na++Ca-膨润土= 2Na-膨润土+Ca2+

1.4 实验方法

称取一定量已经提纯过的膨润土放置于烧杯中，再加入一定量的蒸馏水，配置成一定浓度的浆液.在一定的温度下搅拌一定的时间，并同时加入一定量的碳酸钠(本实验用碳酸钠作为改型剂)，经过一定的时间离心，并用蒸馏水多次洗涤得到的产品，研磨.过200目，装袋备用.

1.5 评价标准

膨胀容是膨润土水化特性的重要参考指标，因此实验中采用膨胀容作为衡量钠化效果的依据.膨胀容越大，膨润土性能越好，说明钠化效果越好.最后，通过日本理学公司D/max 2200PC 型衍射仪对钠化膨润土进行表征.

2 结果与讨论

2.1 膨润土钠化改型效果的影响因素

2.1.1 钠化剂用量对钠化改型效果的影响

称取一定量已提纯过的膨润土加蒸馏水，配成5%浓度的浆液，在恒温水浴(T=60 ℃)中搅拌10 min，同时加入不同浓度的碳酸钠溶液.钠化剂用量对膨润土钠化改型效果的影响如图2所示.

图2 钠化剂用量对钠化改型效果的影响

由图2可知，随着钠化剂用量的增加，膨胀容也随之提高，当钠化剂用量超过4%时，膨胀容开始降低.这可能是因为Na+电离率大、电动电位高、活性强，使原来已到达平衡的Na+与Ca2+交换状态受到破坏[9]，同时过多的钠化剂使溶液的流动性下降，影响膨润土与改性剂的有效接触.因此，本实验选用钠化剂用量为4%.

2.1.2 矿浆浓度对钠化改型效果的影响

称取一定量已提纯过的膨润土加蒸馏水，配成3%、5%、7%、9%等一系列不同浓度的浆液，在恒温水浴(T=60 ℃)中搅拌10 min，同时加入4%的碳酸钠溶液.不同矿浆浓度对膨润土钠化改型效果的影响如图3所示.

图3 矿浆浓度对钠化改型效果的影响

由图3可知，随着矿浆浓度的增大，且达到5%时，膨润土的膨胀容略微降低，当矿浆浓度超过5%之后，膨胀容急剧下降.这可能是因为浓度过高，使得膨润土的流动性变差，降低了分散性，影响改性剂与膨润土的有效接触；浓度过低将使改型效率下降，且会增加后序脱水作业的负荷.因此，本实验选用矿浆浓度为5%.

2.1.3 搅拌时间对钠化改型效果的影响

称取一定量已提纯过的膨润土加蒸馏水，配成5%浓度的浆液，在恒温水浴(T=60 ℃)中搅拌一定的时间，同时加入4%的碳酸钠溶液.不同搅拌时间对膨润土钠化改型效果的影响如图4所示.

图4 不同搅拌时间对膨润土钠化改型效果的影响

由图4可知，随着搅拌时间的延长，膨润土的膨胀容也随之增大，当搅拌时间超过10 min时，膨胀容开始降低.这可能是因为要使膨润土充分钠化改型，需要足够的时间，钙基膨润土以结晶的形式悬浮于水中，当膨润土表面被充分钠化后，会形成一层隔水膜，阻止内部的钙基膨润土进一步钠化，但是搅拌时间过长，会恶化膨润土的改型效果，同时造成能源和设备的损耗.因此，本实验搅拌时间选用10 min.

2.1.4 反应温度对钠化改型效果的影响

称取一定量已提纯过的膨润土加蒸馏水，配成5%浓度的浆液，在不同的恒温水浴中搅拌10 min，同时加入4%的碳酸钠溶液.不同反应温度对钠化改型效果的影响如图5所示.

图5 反应温度对钠化改型效果的影响

由图5可知，随着温度的升高，膨润土的膨胀容也增大，当温度超过60 ℃时，膨胀容开始下降.这可能是因为随着温度的升高，加快了Ca2+与Na+的交换速度，扩大了离子的运动范围，使钠化反应的速度得以提高；但是温度过高，加快了水分的蒸发，增大矿浆的粘度，降低了钠化剂和矿浆的有效接触，从而影响了钠化效果[10].因此，本实验反应温度选用60 ℃.

2.2 X射线衍射特征分析

对提纯和钠化改型后的膨润土进行了X射线衍射分析，结果如图6所示.

图6 提纯土和钠化改型土的XRD图

由图6可知，提纯土与改型土相比，蒙脱石的层间距由原来的d(001)=1.499 64 nm降到了d(001)=1.254 18 nm.这种层间距的变化受离子势的控制，研究表明[11]，Ca2+的离子势≧2，能吸附两层极性水分子层；而Na+的离子势≦2，只能吸附一层极性水分子层.

因此，钠化后层间距变小了；同时，谱线的宽窄或峰型反映了晶体结构的有序度和晶粒的大小[12].X射线衍射峰的半高宽的变化，可能与结晶状况和晶粒大小有关.由XRD图可以看出: 蒙脱石的结晶度变差，表明其活性和胶体性能增强.

3 结论

(1)实验所用原料的主要成分是蒙脱石，是典型的钙基膨润土，以碳酸钠为改型剂制备的钠基膨润土的膨胀容为95.4 mL/g，与提纯土的膨胀容(10.4 mL/g)相比，有了显著的提高，这为膨润土在造纸领域的应用提供了保证.

(2)通过单因素研究方法确定了最佳的钠化工艺：Na2CO3用量为4%、矿浆浓度为5%、搅拌时间为10 min、反应温度为60 ℃.

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