猫砂用膨润土的试验研究

王　鸽

（湖北中非膨润土有限公司，湖北 鄂州　436061）

猫砂用膨润土的试验研究

王鸽

（湖北中非膨润土有限公司，湖北 鄂州436061）

以湖北鄂州钙基膨润土为原料，对其在猫砂用膨润土方面的应用进行了试验研究。结果表明：湖北膨润土在最佳钠化条件下，经特殊的造粒设备改性造粒后，干燥，分级，筛分，膨润土结块性能有很大地提高，可以满足猫砂用膨润土指标。为湖北膨润土生产猫砂用膨润土奠定了坚实的基础。

膨润土；钠化改性；猫砂

猫砂，俗称宠物垫土，用以排除家养宠物如猫、狗等粪便及其异味，从而保持居室卫生的一种无机吸附材料。宠物垫土还用来铺垫饲养场的禽畜圈舍，以改善卫生条件，减少禽畜疾病，提高出栏率[1]。

可用作宠物垫土猫砂的非金属矿有海泡石、膨润土、硅藻土、凹凸棒石等。各国在开发该产品时，都与当地的资源条件相结合，例如：西班牙，有丰富的海泡石，便以海泡石作为原料生产猫砂。西班牙最大的海泡石生产商TOLSA公司，年产海泡石产品51.5万t，其中猫砂35.3万t，占68.54%。欧洲70%以上的海泡石用于作猫砂[2]。丹麦有丰富的moler型硅藻土，便用硅藻土作猫砂。印度西北海岸的卡其，有一种比较硬的膨润土，也用来作猫砂。据报道，西方发达国家每年消耗宠物垫土数十万吨。近年来，随着我国人民生活水平的提高，城市民居高楼化、花园化，家养宠物垫土的使用越来越多；一些现代化养殖场，为了保证禽畜健康无病,提高肉食的卫生质量，也使用垫土[3]。由此可见，宠物垫土的市场潜力，将越来越大。

目前，市场上销售的猫砂种类很多，有普通猫砂、结团型猫砂、水晶猫砂、木粉猫砂[4]和纸屑猫砂五大类，其中，不乏使用效果比较好的产品，适用于市场推广，但也有种种缺点限制其广泛使用性。价格便宜的，效果不好；效果好的，可能价格太贵，不宜长期使用。

膨润土猫砂是目前使用最普遍的猫砂，以膨润土为主要成分，俗称结团型猫砂，外观白色或灰白色的小颗粒。使用时，强吸湿性的膨润土猫砂产品很快吸干粪便里的水分，结成一个大硬团。在清理猫砂时，用带漏孔的猫砂铲铲出这些大大小小的硬团扔掉就可以了。随着猫砂的消耗，补充即可，亦不需全盆放弃，而且满足猫砂用膨润土质量标准，见表1。

1　钠化改性及造粒机理

1.1钠化改性

由于粘土对Ca2+的吸附能力大于对Na+的吸附能力，所以自然界大多数膨润土是钙基膨润土。当膨润土—水体系中同时含有Ca2+和Na+时，就会发生如下离子交换平衡：

表1　膨润土猫砂质量标准

影响平衡移动方向的因素有阳离子的相对浓度和体系的化学环境。钙基膨润土在水中以结晶集合体的状态存在，只有表面被钠化，而被钠化的表面形成一层厚1.5mm左右的隔水膜，包裹着颗粒内部未钠化的钙土。如果这一层钠化膜不能及时剥离掉，就会影响里层的钠化，导致“夹生”现象和大量未反应的游离碳酸钠存在，二者对产品的质量和性能都有不利的影响。因此，钠化反应是否能够完全，关键在于钠化方法和条件，也就是所用的改性设备和工艺。

1.2造粒机理

试验采用湿法造粒，起初加进的湿物料是分散而松散的小微粒，这些小微粒在加水及搅拌的初期便形成细粒的核心，而形成这类核心的动力是液体的表面张力，物系总表面能的下降以及汽液表面的减少，核心由很细的粉末形成，并可视具体情况将团粒直径增大至1～2mm，核心形成以后，影响力度变化的主要因素有进料粉末的粒度、固体性质、液体表面张力、粘度以及生产方式。

2　试验部分

2.1试验材料

本试验采用的是湖北鄂州二级膨润土矿，该矿产于安山岩系中，是由珍珠岩蚀变而成的钙基膨润土，原矿通过显微镜观察，同时结合XRD分析可知：蒙脱石晶层间距d(001)为1.4725nm，属较典型钙基膨润土。原矿矿物组成为：蒙脱石85%、石英2%、斜长石4%、黑云母5%、赤(褐，磁)铁矿3%、其他<1%。试样矿物主要成分为蒙脱石，次要矿物为金色黑云母，石英，少量蚀褐铁矿和赤铁矿，该类矿石为土状结构，松散的块状构造，矿石有滑感，蜡状光泽，质地细腻，容易破碎，蒙脱石含量为80%～90%。

通过测试，该矿石的化学成分分析结果(%)为：SiO262.63、Al2O316.31、TFe2O32.55、MgO 3.95、CaO 2.06、Na2O 0.46、K2O 0.73、TiO20.54、P2O50.04、MnO 0.09、S 0.01、LOI 10.45。可以看出，矿样的CaO与MgO含量均高于Na2O和K2O，呈现钙基膨润土的特征。

通过分析原矿的吸蓝量、胶质价、膨胀容等性能，可以判断矿样蒙脱石含量和属型。对矿样进行各性能指标测试，结果见表2。

2.2试验方法

猫砂用膨润土生产过程不同于球团、铸造用膨润土，其生产过程比较复杂，分为改性、造粒、干燥、分级等几个方面。由于原矿技术指标不能达到猫砂用膨润土标准，不能用原矿直接生产猫砂用膨润土产品。考虑通过两个不同阶段生产猫砂用膨润土：①通过钠化改性，增加膨润土中交换阳离子的数量，以使原土溶于水后增加亲水基团数目，从而有效提高其吸水率和结块强度；②通过加水碾压进行湿法造粒，提高粒度均匀性和颗粒的机械性能。

表2　原矿各性能指标测试结果

试验步骤如下：先通过手选除去岩石碎屑及大颗粒的石块，再晾晒破碎至15mm以下，水分约15%，加碱、加水碾压一定时间后，经干燥烘干处理，再经过分级筛分成猫砂成品包装即可。

2.3分析测试方法

2.3.1吸水率的测定

根据GB/T20973-2007《多孔板法提供的新吸水率测试方法》，其具体测试步骤为：把多孔陶瓷板放入玻璃容器中，用蒸馏水浸没，使多孔陶瓷板浸透。试验时始终保持使多孔陶瓷板上表面高出水面6±1mm，并使玻璃容器和水温度稳定在20±2℃。

将滤纸两张放在蒸馏水中浸渍30s，使其吸水饱和，然后放在多孔陶瓷板上平衡水分60min后，分别称量该滤纸。

称取两份5±0.01g已在105±3℃温度下烘干恒重的膨润土，分别均匀地撒在两张湿滤纸上，膨润土的散布直径约9cm。

将滤纸和膨润土对称放置在多孔陶瓷板上(注意不要重叠)，盖上玻璃容器盖。静置2h后，用镊子和铲刀仔细取出湿滤纸和湿膨润土，在天平上称量。

膨润土的吸水率按公式(1)计算：

式中：Wa——吸水率，%；

W ——湿滤纸和湿膨润土质量，g；

W0——湿滤纸质量，g；

m ——干膨润土试样质量，g。

2.3.2堆积密度

称取50.0±0.1g试样，分4次加入到清洁、干燥的100mL量筒中，每次加入后均在铺有胶皮的试验台上振动至体积不变。振动方法：将量筒提起约10cm，然后使其自然落在试验台上，每次提起的同时需旋转量筒。

堆积密度ω7，按公式(2)计算：

式中：ω7——堆积密度，g/cm3；

V ——振动后试样的体积，mL。

取平行测定结果的算术平均值为测定结果；两次平行测定结果的绝对差值≤0.05g/mL。

2.3.3结块形状和结块强度

将1kg膨润土猫砂平铺于25cm×12cm×8cm(长×宽×高)容器中；从2.5cm的高度，在4～5s的时间内，将10mL 1%NaCl溶液加入到膨润土猫砂中；10s后，倒出结块试块，观察结块形状并记录。让试块从15cm高度自由落下，记录试块破碎时落下的次数，该次数即为结块强度。

3　试验结果与讨论

吸水率、结块形状及结块强度都是表征猫砂用膨润土质量指标的参数。吸水率低，猫砂产品粘结性差，不易结团；结块形状不规则，使用率低；结块强度不高，使用后用普通工具不易清理，容易解散，还会影响后期使用，长此以往，对环境造成一定的污染；吸水率越高，结块形状和结块强度越好，猫砂使用效果越好，越利于膨润土猫砂市场的拓展。

本试验采用碾压设备对原料进行碾压改性，此设备不同于挤压对辊设备，其特殊的构造决定它造粒的强操作性。

3.1加碱量对钠化效果的影响

固定加水量为24%，碾压时间为10min，产品分级粒径为0.6～2.0mm，考察加碱量为猫砂产品钠化效果的影响，结果见表3。

表3　加碱量对钠化效果的影响

加碱量对钠化效果有一定的影响，随着加碱量的增加，堆积密度呈现升高趋势，结块强度也逐渐减小。可能是由于加碱量增加，钠化充分，吸水速度变慢，吸水后猫砂产品吸收水分来不及膨胀，从而出现结块较软，结块强度不高。由表3可以看出，加碱量为2.0%时，钠化效果好，猫砂用膨润土各指标基本达标，因此，固定钠化加碱量为2.0%。

3.2加水量对造粒效果的影响

控制造粒过程的关键因素是球化期间自由水的总含量，如果造粒过程中给粉料粒中混有能与注入液体相结合的物料，那么在计算时应适当增加操作过程中所需的液体量。在猫砂造粒时，因给料中含有膨润土，所以造粒中加水量的控制一定要寻找一个最佳点，加水过多，造粒效果不明显，颗粒强度不高，所造颗粒也不致密；加水过少，造粒产量低，颗粒容易散，结块强度也不高。固定加碱量为2.0%，碾压时间为10min，产品分级粒径为0.6～2.0mm，考察加水量为猫砂产品钠化效果的影响，结果见表4。

表4　加水量对造粒效果的影响

由表4可以看出，加水量在24%时，造球效果较好，结块强度、堆积密度都得到提高。因此，选择加水量为24%。

3.3碾压时间对造粒效果的影响

固定加碱量为2.0%，钠化加水量24%，产品分级粒径为0.6～2.0mm，分析碾压时间对造粒效果的影响，结果见表5。

表5　碾压时间对造粒效果的影响

碾压时间的控制是粒度增大，颗粒生长的主要动力，随着碾压时间的增加，起初小微粒形成颗粒的核心，再由两个或两个以上的离子通过粘结剂形成的“液桥”团聚在一起形成大粒子，被粘结剂浸润的粒子与周围粒子发生碰撞，从而粘附在一起。由表5可以看出，随碾压时间的增加，2h吸水率呈增长趋势，但堆积密度和结块强度降低。碾压时间为15min时，各项指标均表现良好。因此，为提高产量和经济效益，选择碾压时间为15min。

3.4分级粒径对猫砂质量影响

猫砂半成品制作完成后采用实验室105℃烘箱进行烘干处理，考察分级粒径对产品指标的影响，见表6。

表6　分级粒径对猫砂产品的影响

不同分级粒径对产品指标也有一定的影响，随着分级粒径增大，各指标测试结果趋于变差，表现最为突出的是结块强度。分级粒径变大，试样中大颗粒相对较多，堆积时，各颗粒间存在一定的缝隙，当倒入猫尿后，液体顺着缝隙渗入容器底部，结块强度呈现球形或半球形，但由于大颗粒未来得及膨胀吸水，故结块强度变差。鉴于以上数据分析及产量考虑，选择后期分级粒径为0.6～3.0mm。

4　结论

湖北鄂州钙基膨润土钠化生产猫砂垫土的工艺过程，既克服了化工试剂对宠物的伤害，又对空气环境、居住环境污染问题提供了很好的解决措施。以膨润土为原料生产的结团型猫砂，结块强度好，易于清理，为家养宠物家庭带来便利。

本研究生产的猫砂产品，质量稳定，能很好适应于宠物，相对其他宠物垫土，成本较低。生产设备简单，能耗较低，属于绿色环保型生产工艺。

本次试验钠化改性优化了原土物化性能，并取得良好效果，为该地区猫砂用膨润土开发和应用提供了试验依据，也为今后工业生产实践奠定了基础。

[1]韩成林.宠物垫土研制[J].非金属矿,2002,25(6):28-29.

[2]漧于.我国猫砂的研制与生产[J].非金属矿开发与应用,2004(4): 5.

[3]苏永学,李育民,钱树德.猫砂的造粒方法及设备[J].化工装备技术,1999,20(3):19-22.

[4]孙忠,杨秀双.新一代环保型宠物垫圈颗粒—木制猫砂研制[J].非金属矿,2003,26(3):20-22.

Experimentally Study on Cat Litter of Bentonite

WANG Ge
(Hubei Zhongfei Bentonite Co., Ltd., Ezhou 436061, China)

The Ca-bentonite from Ezhou was used as raw material and study experimentally in the cat litter areas. Hubei bentonite was used the special granulation equipment in the best Na-activation condition after modification granulation. Drying, grade screeing, the caking performance with bentonite is greatly improved, it can satisfy product index of cat litter. Then laid a solid foundation for production cat litter Heibei bentonite.

bentonite; Na-activation conversion; cat litter

P619.255；TD985

A

1007-9386(2016)03-0014-03

2015-06-04