用活性白土直接制备有机白土

张秀英

(山东理工大学材料科学与工程学院)

有机润膨土是利用有机改性剂(常用的是碳原子数在16～18之间的阳离子型或阴离子型表面活性剂)对膨润土进行化学改性而得到的一种憎水亲油型膨润土。但是其成本较高，颜色较深。由于原料的限制，想直接制备颜色较浅的有机膨润土非常困难。

活性白土是以膨润土为原料，经过无机酸处理制成的一种吸附剂。活性白土呈乳白色，无味无毒，比表面积大，且化学性质稳定，具有出色的吸附和脱色性能。我国活性白土的生产厂家众多，产量大，主要产地集中在华北、东北及华东地区［1］。活性白土是目前膨润土深加工产品中产量最大的品种。

为了更好地利用膨润土资源，提高生产效益，目前有学者将活性白土加工成碱性白土，再进一步通过有机化处理制备成有机白土［2］，而对活性白土直接进行有机化处理的极少见报道。本试验用活性白土直接与不同有机改性剂进行反应，探索成本低、性能好、加工工艺更加简便的有机白土的制备途径。

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

(1)膨润土。取自山东潍坊，为钙基膨润土，其性能见表1。

表1 原料膨润土性能

(2)试剂。莱阳经济技术开发区精细化工厂产盐酸、无水乙醇，扬子化工有限公司产硬脂酸，天津市光复精细化工研究所产十六烷基三甲基溴化铵(CATB)，均为分析纯。

1.2 试验设备

上海光地仪器设备有限公司产HHS－2S型电子恒温水浴锅，美国THERMO公司产Nicolet5700型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，德国Brucker公司产D8－ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)，龙口市电炉制造厂产101A－1型电热恒温鼓风干燥箱和SX2型箱式电阻炉，郑州长城科工贸有限公司产SHB－Ⅲ循环水式多用真空泵，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司产JJ－1型精密定时电动搅拌器，烧杯、三口烧瓶等。

2 试验方法

2.1 有机白土的制备

2.1.1 膨润土的预处理

取原料膨润土300 g放入2 L的烧杯中，加水1 000 mL浸泡24 h，搅拌至充分浆化后，沉降分离粗、细颗粒并将细颗粒浆体储存。重复上述过程，直至上层液体澄清为止。将储存的浆体抽滤、干燥、研磨、过200目筛，得到提纯膨润土。

2.1.2 活性白土的制备

称取50 g提纯膨润土加入到500 mL的三口烧瓶中，按1∶4的固液比加入质量分数为15%的盐酸溶液，然后将三口烧瓶放入95℃的恒温水浴中，用电动搅拌器进行搅拌活化。3 h后用蒸馏水反复洗涤，至浆液的pH值达4～5时，干燥、研磨、过200目筛，得到活性白土。

2.1.3 活性白土的有机改性

活性白土的有机改性采用湿法，以便在实际生产时能与前面的湿法提纯、湿法活化工序结合起来，达到简化流程、降低生产成本的目的。分别采用硬脂酸和CATB两种有机改性剂，以便选择性价比更优的有机白土产品。

将5 g活性白土装入500 mL的三口烧瓶配制成固液比为1∶10的矿浆，置于恒温水浴中边搅拌边加热，使活性白土在水中充分分散;另取一定量(按有机改性剂与活性白土的质量比计)的硬脂酸放入100 mL的小烧杯中，加入30 mL无水乙醇使其充分溶解;当活性白土矿浆达到一定温度时加入硬脂酸溶液，中速搅拌一定时间。搅拌完毕后将矿浆反复洗涤、干燥、研磨、过200目筛，即得有机白土成品。

用CATB作有机改性剂时，制备过程与用硬脂酸时相似，唯一的区别是不需将CATB预先溶解，直接添加即可。

2.2 成品有机物含量测定及结构分析

采用灼烧减量法［3］测定有机白土成品的有机物含量。首先对有机白土成品进行灼烧并测出灼烧前后有机白土的质量m0和m1，然后按下式计算有机物含量S:

用红外光谱仪(FTIR)分析有机白土的主要成分以及官能团，并与活性白土进行对比，以此判断有机官能团是否进入了蒙脱石的晶体结构。用X射线衍射仪(XRD)检测有机白土中蒙脱石的层间距是否增大，操作参数为X射线波长0.154 nm、Cu靶、管电压40 kV、管电流40 mA、功率2.2 kW。

3 试验结果与讨论

3.1 有机改性影响因素研究

3.1.1 有机改性剂种类试验

分别以硬脂酸和CATB为有机改性剂制备有机白土，所得成品的有机物含量如表2所示。

表2 有机改性剂种类试验结果

表2显示，在有机改性剂用量和反应条件相同的情况下，两种有机白土中有机物的含量分别为26.8%、29.5%，仅相差2.7个百分点;而在价格方面，后者要昂贵很多。因此，从性价比考虑，选用硬脂酸作为活性白土的有机改性剂继续后面的试验。

3.1.2 有机改性剂用量试验

在60℃下，向活性白土矿浆中分别加入与活性白土的质量比为30%、40%、50%、60%、70%的硬脂酸，反应2 h，所得有机白土有机物含量的变化如图1所示。

图1 有机改性剂用量试验结果

从表2可以看出，有机白土中有机物的含量随硬脂酸用量的增加先迅速提高，当硬脂酸的用量增加到与活性白土的质量比为60%时达到最大值28.5%，此后反而开始降低。因此，选择硬脂酸与活性白土的质量比为60%。

3.1.3 反应时间试验

向活性白土矿浆中加入与活性白土质量比为60%的硬脂酸，在60℃的条件下分别反应1、1.5、2、2.5、3 h，所得有机白土中有机物含量的变化如图2所示。

图2 反应时间试验结果

由图2可见:反应时间太短时，反应不彻底，所以有机白土中有机物的含量较低;而反应时间太长时，有可能使已经吸附在活性白土表面的有机物解吸，从而导致有机白土中有机物的含量下降。根据试验结果，最合适的反应时间应该是2 h。

3.1.4 反应温度试验

向活性白土矿浆中加入与活性白土质量比为60%的硬脂酸，分别在30、40、50、60、70℃下反应2 h，所得有机白土中有机物含量的变化如图3所示。

图3 反应温度试验结果

由图3可见，有机白土中有机物的含量在60℃时达到最大值28.9%。因此，选择反应温度为60℃。

3.2 有机白土的结构表征

对硬脂酸与活性白土的质量比为60%、反应温度为60℃、反应时间为2 h条件下制得的有机活性白土进行XRD分析及FTIR分析。

3.2.1 FTIR分析

样品的FTIR分析结果见图4。

图4中，在波数为2 917.1 cm－1和2 849.5 cm－1处的振动吸收峰代表—CH2的存在，在波数为1 576.6 cm－1、1 541.4 cm－1处的吸收峰为C==O的伸缩振动所致。这表明硬脂酸酸根已经进入了蒙脱石的晶体结构。

图4 有机白土FTIR分析结果

3.2.2 XRD分析

样品的XRD分析结果见图5。

图5 有机白土XRD分析结果

图5显示:有机白土完整保留了活性白土原有的晶体结构。样品在3.72°处的d(001)值为2.37 nm，说明硬脂酸根离子插入蒙脱石晶层间使蒙脱石的层间距扩大了0.79 nm;在5.573°处保留了1.58 nm的衍射峰，说明活性白土的有机化处理不是很彻底，这是由于有机改性剂为阴离子型，而蒙脱石层间的可交换性离子为阳离子，它们之间的化学反应较困难所致。

4 结论

(1)以价格较低的硬脂酸为有机改性剂，采用简单的工艺，可将活性白土直接加工成性能良好的有机白土。

(2)用活性白土直接制备有机白土的合适条件是:硬脂酸与活性白土的质量比为60%，反应温度为60℃，反应时间为2 h。在此条件下，所得有机白土中的有机物含量为28.9%。

(3)所制备的有机白土中，蒙脱石的层间距达到2.37 nm，比活性白土中蒙脱石的层间距增大了0.79 nm，表明硬脂酸根已经插入蒙脱石层间;红外光谱分析也证明了这一点。但是活性白土的有机改性不是很完全，还有待改进。

［1］ 韩雪松.我国活性白土的生产状况［J］.上海化工，2010，35(6):31-33.

［2］ 吴铁力，韦藤幼，潘远风，等.活性白土的硬脂酸表面改性及其表征［J］.非金属矿，2011，34(2):32-34.

［3］ HG/T2248—1991 涂料用有机膨润土［S］.北京:［出版者不详］，1992.