1、第四节第四节 粘土粘土-水系统胶体化学水系统胶体化学n 粘土胶体粘土胶体n 粘土的离子吸附与交换粘土的离子吸附与交换n 粘土粘土-水系统的电动性质水系统的电动性质n 粘土粘土-水系统的胶体性质水系统的胶体性质n 瘠性料的悬浮与塑化瘠性料的悬浮与塑化泥浆：泥浆：溶胶溶胶-悬浮液悬浮液-粗分散体系粗分散体系1. 带电机理带电机理1）晶格内离子的同晶置换（）晶格内离子的同晶置换（同晶取代同晶取代）2）颗粒边棱的价键断裂（）颗粒边棱的价键断裂（边棱破键边棱破键）3）颗粒表面（有机）腐殖质电离）颗粒表面（有机）腐殖质电离一、粘土胶体一、粘土胶体（一）粘土的荷电性与带电原因（一）粘土的荷电性与带电原因2.
2、 负电荷负电荷 （1）各族矿物荷负电的多少，取决于晶格内）各族矿物荷负电的多少，取决于晶格内的的同晶置换同晶置换的多少的多少蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石 （2）负电荷分布：）负电荷分布：层状硅酸盐的层状硅酸盐的板面板面上上2. 两性电荷两性电荷 （1）荷电性与介质）荷电性与介质PH值的关系值的关系高岭石在酸性条件下，边面带高岭石在酸性条件下，边面带正电正电 （2）正电荷分布：）正电荷分布：层状硅酸盐的层状硅酸盐的边棱、边面边棱、边面上上3. 净电荷净电荷粘土带负电荷粘土带负电荷（二）粘土与水的结合（二）粘土与水的结合三种途径：三种途径：通过氢键结合通过氢键结合极性水分子在粘土表面的
3、定向排列极性水分子在粘土表面的定向排列水化离子带进去的水水化离子带进去的水1. 粘土与水的结合方式（牢固结合水和松结合水）粘土与水的结合方式（牢固结合水和松结合水）2） 吸附水吸附水1）结构水）结构水（2）粘土中水的类型（位置、作用）粘土中水的类型（位置、作用）以以OH基基的形式存在于粘土矿物的晶格结构中。的形式存在于粘土矿物的晶格结构中。以水分子的形式吸附在粘土矿物层间。以水分子的形式吸附在粘土矿物层间。按结合力的大小，分为：按结合力的大小，分为：牢固结合水牢固结合水疏松结合水疏松结合水自由水自由水影响结合水量的因素：影响结合水量的因素：1）粘土矿物的种类：）粘土矿物的种类： 蒙脱石蒙脱石
4、高岭石高岭石2）粘土的分散度：）粘土的分散度： 细度越大，结合水量越高细度越大，结合水量越高3）吸附离子的种类：）吸附离子的种类： 不同价不同价 M M2 M3 同价同价 Li Na K结构水结构水结合水结合水自由水自由水牢固结合水牢固结合水松结合水松结合水含含 义义以以OHOH基形式基形式存 在 于 粘 土存 在 于 粘 土晶 格 结 构 内晶 格 结 构 内的水的水吸附在粘土矿物吸附在粘土矿物层间及表面的定层间及表面的定向水分子层，它向水分子层，它与粘土胶粒形成与粘土胶粒形成整体并一起移动整体并一起移动粘土表面定向粘土表面定向排列过渡到非排列过渡到非定向排列的水定向排列的水层，它处于胶层，
5、它处于胶粒的扩散层内粒的扩散层内粘土胶团粘土胶团外的非定外的非定向水分子向水分子层层作用作用范围范围在粘土的结在粘土的结构内构内3 31010个水分子个水分子层层202020nmnm特特 点点脱水温度高脱水温度高（400400600600），脱，脱水后粘土结水后粘土结构破坏构破坏脱水温度低（脱水温度低（100100200200），脱水后晶格结），脱水后晶格结构不受破坏构不受破坏密度大、热容小，介电常数小，密度大、热容小，介电常数小，冰点低冰点低（三）粘土胶团结构（三）粘土胶团结构二、二、 粘土的离子交换与吸附粘土的离子交换与吸附 1、离子交换的概念、离子交换的概念 粘土阳离子交换：粘土阳离子交
6、换：粘土颗粒吸附的阳离子被粘土颗粒吸附的阳离子被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换 2、阳离子交换的特点、阳离子交换的特点 1）同号离子相交换）同号离子相交换2）等当量交换）等当量交换3）交换、吸附是可逆过程）交换、吸附是可逆过程4）交换不影响粘土本身结构）交换不影响粘土本身结构 3、吸附与交换的区别、吸附与交换的区别 离子吸附和离子交换是一个反应中同时进行离子吸附和离子交换是一个反应中同时进行的两个不同过程。的两个不同过程。离子吸附：离子吸附：是粘土胶体与离子之间的相互作用是粘土胶体与离子之间的相互作用离子交换：离子交换：是离子之间的相互作用是离子之
7、间的相互作用应用：提纯粘土和制备单一离子的粘土应用：提纯粘土和制备单一离子的粘土 4、阳离子交换容量、阳离子交换容量 阳离子交换容量：阳离子交换容量：为为PH7 时时100g干粘土所干粘土所吸附的离子的毫克当量数。吸附的离子的毫克当量数。影响因素：影响因素：1）粘土矿物组成：）粘土矿物组成： 与同晶置换多少有关与同晶置换多少有关 蒙脱石蒙脱石 伊利石伊利石 高岭石高岭石2）粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的）粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的PH值、离子浓度等值、离子浓度等 常见粘土的阳离子交换容量常见粘土的阳离子交换容量矿物矿物高岭石高岭石多水高岭石多水高岭石伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石蛭蛭 石石阳
8、离子交换阳离子交换容量（容量（100g土）土）/mmol31520401040751501001505、阳离子交换顺序、阳离子交换顺序 与与粘土与离子间的作用力粘土与离子间的作用力有关有关电价因素电价因素离子大小离子大小 粘土阳离子交换顺序：粘土阳离子交换顺序：HAl3Ba2Sr2Ca2NH4KNaLi三、三、 粘土水系统电动性质粘土水系统电动性质 带电荷的粘土胶体分散在水中时，在胶体颗带电荷的粘土胶体分散在水中时，在胶体颗粒和液相的界面上会有粒和液相的界面上会有扩散双电层扩散双电层出现。在电出现。在电场或其它力场作用下，带电粘土与双电层的运场或其它力场作用下，带电粘土与双电层的运动部分之间发
9、生剪切运动而出现来的电学性质动部分之间发生剪切运动而出现来的电学性质称为称为电动性质电动性质。粘土离子的扩散双电层粘土离子的扩散双电层 吸附层吸附层：在外电场作用下，粘土质点与一部分：在外电场作用下，粘土质点与一部分吸附牢固的水化阳离子随粘土质点相正极移动，这吸附牢固的水化阳离子随粘土质点相正极移动，这一层称为一层称为吸附层吸附层。 扩散层扩散层：另一部分水化阳离子不随粘土质点移：另一部分水化阳离子不随粘土质点移动，却向负极移动，这层称为动，却向负极移动，这层称为扩散层扩散层。 电动电位（电动电位（-电位）电位）：在外电场作用下，因吸：在外电场作用下，因吸附层与扩散层各带有相反电荷，在相对移动
10、时两者附层与扩散层各带有相反电荷，在相对移动时两者之间就存在着电位差，这个电位差称为之间就存在着电位差，这个电位差称为电动电位或电动电位或-电位电位。 1、影响、影响-电位的因素电位的因素 （1）阳离子电价的影响）阳离子电价的影响 阳离子饱和粘土负电荷时的阳离子饱和粘土负电荷时的-电位，与电位，与离离子水化度子水化度及及离子与粘土吸引力强弱离子与粘土吸引力强弱有关。有关。 HLi，-电位升高电位升高 （2）阳离子浓度的影响）阳离子浓度的影响 Dd4d：双电层厚度双电层厚度 （3）其它因素）其它因素 腐殖质含量、粘土的矿物组成、电解质阴离腐殖质含量、粘土的矿物组成、电解质阴离子作用、粘土胶粒形状
11、和大小、表面光滑度等。子作用、粘土胶粒形状和大小、表面光滑度等。2、-电位对泥浆性能的影响电位对泥浆性能的影响 -电位高，泥浆的稳定性好、流动性好电位高，泥浆的稳定性好、流动性好当当 ，泥浆是稳定的泥浆是稳定的mV50四、四、 粘土水系统胶体性质粘土水系统胶体性质 （一）流变学基础（一）流变学基础常见的流动类型：常见的流动类型：1）牛顿型流体（理想流体）牛顿型流体（理想流体）2）宾汉流动）宾汉流动3）塑性流动）塑性流动4）假塑性流动）假塑性流动5）膨胀流动）膨胀流动（二）泥浆的流动性与稳定性（二）泥浆的流动性与稳定性 1、泥浆的粘度、泥浆的粘度kc100 纯水的粘度；纯水的粘度； c 粘土的体
12、积浓度；粘土的体积浓度； k 与颗粒形状有关的系数。与颗粒形状有关的系数。 2、泥浆的稀释与增稠、泥浆的稀释与增稠 胶溶（稀释）：胶溶（稀释）：泥浆粘度显著降低，粘土泥浆粘度显著降低，粘土在水中充分分散。在水中充分分散。 絮凝（增稠）：絮凝（增稠）：泥浆中粘土颗粒相互聚集，泥浆中粘土颗粒相互聚集，粘度升高。粘度升高。 3、泥浆稀释机理、泥浆稀释机理 泥浆粘度与结构的关系泥浆粘度与结构的关系: 1）平行结构（面面分散）平行结构（面面分散）2）卡片结构（边面分散）卡片结构（边面分散） 3）棚架结构（边边分散）棚架结构（边边分散）泥浆稀释过程实际上是拆散泥浆内部网架结泥浆稀释过程实际上是拆散泥浆内部
13、网架结构，使构，使边边、边面结合边边、边面结合转变成转变成面面排列面面排列的过程。的过程。1）介质呈碱性；）介质呈碱性；2）必须有）必须有R交换粘土原来吸附离子交换粘土原来吸附离子 ；3）阴离子的作用：）阴离子的作用：形成络合物形成络合物、聚合阴离子聚合阴离子。 4、泥浆胶溶条件、泥浆胶溶条件 泥浆的滤水性泥浆的滤水性 （三）泥浆的触变性与膨胀性（三）泥浆的触变性与膨胀性 1、触变性、触变性 （1）含义：）含义：P135 （2）特征：）特征：假塑性流动假塑性流动 （3）产生原因：）产生原因：“卡片结构卡片结构”的形成与解体的形成与解体 （4）影响因素：）影响因素： 粘土含水量、粘土矿物组成、粘
14、土胶粒的大小粘土含水量、粘土矿物组成、粘土胶粒的大小与形状、电解质种类和数量、温度的影响与形状、电解质种类和数量、温度的影响 2、膨胀性、膨胀性 系统搅拌时变稠（粘度升高），停止搅拌恢复流动性系统搅拌时变稠（粘度升高），停止搅拌恢复流动性 膨胀流动膨胀流动（四）粘土的可塑性（四）粘土的可塑性1、定义：、定义： 当粘土与适当比例的水混合均匀制当粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪切应力作用后，可以塑造成任何形状，切应力作用后，可以塑造成任何形状，当去除应力泥团能保持其形状，这种性当去除应力泥团能保持其形状，这种性质称为质称为可塑性可塑性
15、。 2、产生原因：、产生原因：（1）吸力吸力：范德华力、局部边面静电引力、：范德华力、局部边面静电引力、毛细管力毛细管力，作用范围，作用范围 2nm。（2）斥力斥力：静电斥力（粘土颗粒间的：静电斥力（粘土颗粒间的-电位），电位），作用范围作用范围 20nm。粘土颗粒间作用力粘土颗粒间作用力吸力和斥力平衡吸力和斥力平衡3、影响因素：、影响因素：（1）含水量的影响：）含水量的影响：（2）电解质的影响：吸附阳离子的种类电解质的影响：吸附阳离子的种类（3）粘土矿物组成的影响：粘土矿物组成的影响：（4）颗粒大小和形状的影响：）颗粒大小和形状的影响：（5）泥料处理工艺的影响：）泥料处理工艺的影响：（6）腐
16、殖质含量、添加塑化剂的影响：）腐殖质含量、添加塑化剂的影响：二、瘠性料的悬浮二、瘠性料的悬浮一、概述一、概述1、料浆料浆PH值的控制值的控制2、有机表面活性剂的添加、有机表面活性剂的添加五、五、 瘠性料的悬浮与塑化瘠性料的悬浮与塑化 1、料浆、料浆PH值的控制：值的控制：在在Al2O3H2O系统中，加入少量盐酸：系统中，加入少量盐酸：例：例：在酸性介质中：在酸性介质中：在碱性介质中：在碱性介质中：HClOHAlClOHOHAlClHClOHAlClOHAlClOHAlClHClOAl2222232332)(3262222322AlONaNaAlOOHNaAlONaOHOAl2、有机表面活性剂的添加、有机表面活性剂的添加阿拉伯胶：阿拉伯胶：加入量少时聚沉；加入量多时悬浮。加入量少时聚沉；加入量多时悬浮。三、瘠性料的塑化三、瘠性料的塑化1、天然塑化剂：天然塑化剂：粘土粘土2、有机塑化剂：、有机塑化剂：有机高分子化合物有机高分子化合物
