电解质和阳离子表面活性剂对MMH/粘土体系胶体性能的影响

1　实验部分

1.1　材　　料

Al-MgMMH溶胶[组成为Mg_0.37Al(OH)_3.50Cl_0.24]的制备方法见文献,钙蒙脱土(山东安丘)的基本性能同文献,处理方法见文献.其它试剂均为分析纯.

1.2　悬浮体的制备及性能测定

在钠土悬浮体中加入MMH溶胶,高速搅拌20min,陈化24h,得MMH/钠土悬浮体.再向钠土悬浮体中加入NaCl、MgCl₂、Na₂SO₄或CTAB,高速搅拌20min,陈化24h.悬浮体流变参数的测定及数据处理见文献,滤失量(FL)的测定采用中压滤失量测定仪,恒定压差0.7MPa,过滤圆直径72.2mm,读取30min时收集的滤液体积.由于悬浮体粘稠,不易准确测定其pH值,故将滤液的pH值定为悬浮体的pH值.

1.3　电泳淌度的测定

将待测体系用去离子水稀释至～0.04%,用NaOH或HCl调节pH值,陈化24h,选取10～20个不同颗粒,计算粒子运动的平均速度及电泳淌度.

2　结果与讨论

2.1　电解质对MMH溶胶电泳淌度的影响

图1是NaCl、MgCl₂、Na₂SO₄对MMH溶胶电泳淌度的影响.

图1NaCl、MgCl₂、Na₂SO₄对MMH溶胶电泳淌度的影响 

由图1可见,在所研究的浓度范围内,NaCl基本不影响淌度值,说明NaCl属于不相干电解质,对MMH胶粒的双电层只有轻微的挤压作用,MgCl₂也仅能使淌度值略有增加,这是Mg²⁺或Mg(OH)⁺产生特性吸附所致.Na₂SO₄不仅能显著降低MMH胶粒的电泳淌度,浓度大于3×10^-4mol/L时还能使胶粒的带电性反转,表明SO^2-₄是MMH胶粒的特性吸附离子,其吸附过程伴随着OH^-的释放,交换性吸附过程为:

2.2　电解质对MMH/Mt悬浮体Bingham屈服值(YP)的影响

有关无机盐对Mt悬浮体流变性质的影响已有报道,对于相同浓度的CaCl₂和NaCl,前者降低Bingham屈服值的能力明显高于后者,并认为这是由于Ca²⁺对Mt颗粒双电层和颗粒间缔合作用的影响较Na⁺更为强烈的缘故.我们曾在MMH/Mt体系中得到类似的结果,发现NaCl、KCl和CaCl₂降低YP的能力与K⁺、Na⁺、Ca²⁺影响粘土颗粒面-面缔合能力的次序一致.但对于MMH/Mt体系,其凝胶结构不仅取决于Mt颗粒间的缔合,也取决于MMH与Mt颗粒间的相互作用.因此,对MMH产生强吸附性的物质必然影响MMH/Mt复合体的形成,从而削弱MMH/Mt悬浮体的结构.

图2Bingham屈服值与电解质浓度的关系

图2为Bingham屈服值与电解质浓度的关系.从图2可见,随NaCl、Na₂SO₄和MgCl₂浓度的增加,MMH/Mt体系的YP值均有所降低,其中以MgCl₂对YP的影响最为显著,加入很小量即能使YP大幅度降低,这也是由于Mg²⁺影响Mt颗粒面-面缔合的缘故.从图2还可看出,相同Na⁺浓度下Na₂SO₄降低YP的能力明显高于NaCl,这是由于SO^2-₄能强烈吸附于MMH胶粒上,阻碍了MMH与Mt颗粒间复合体的形成,从而拆散了MMH/Mt悬浮体中的部分凝胶结构.SO^2-₄在MMH胶粒上的交换性吸附作用可从Na₂SO₄影响MMH胶粒的电泳淌度(图1)和升高MMH溶胶的pH值得到证实.

2.3　电解质对MMH/Mt悬浮体pH值的影响

蒙脱土具有层状结构,其结构层荷负电,层间吸附交换性阳离子可以平衡电性.MMH也具有层状结构,但其结构层荷正电,层间吸附交换性阴离子可以平衡电性.当二者共存时,Mt颗粒将与MMH胶粒相互作用形成复合体,并释放出各自的电性平衡离子:

    由于MMH与Mt相对比例及空间位阻的影响,MMH/Mt复合体中仍有大量电性平衡离子可供交换,图3中MMH/Mt悬浮体pH值随电解质浓度的变化即说明了这一点.

    从图3可以看出,MMH/Mt悬浮体的pH值随NaCl和MgCl₂浓度的增加呈下降趋势,与KCl和CaCl₂对pH值的影响结果一致.MMH/Mt悬浮体的pH值随Na₂SO₄浓度的增加呈上升趋势,与MMH溶胶中加入Na₂SO₄的结果一致,而与Na₂SO₄对Mt悬浮体pH值的影响相反(125mmol/L的Na₂SO₄可使4%Mt悬浮体的pH值从9.92下降至9.41).电解质对MMH/Mt悬浮体pH值的影响相当复杂,由于电解质的阴离子和阳离子均参与了交换作用,pH值的变化取决于H⁺和OH^-释放量的相对大小.对于NaCl和MgCl₂,由于Cl^-对OH^-的交换作用较差,主要以Na⁺、Mg²⁺交换MMH/Mt复合体中的H⁺为主,故悬浮体的pH值降低;而Mg²⁺的交换能力高于Na⁺,其降低pH值的能力自然要高于后者.Na₂SO₄使MMH/Mt悬浮体pH值的升高可归因于SO^2-₄交换出的OH^-多于Na⁺交换出的H⁺.

2.4　电解质对MMH/Mt悬浮体滤失量的影响

滤失量(FL)的大小可反映出分散相的聚集状态,滤失量越小,分散性越好,滤失量越大,聚集越严重.图4是Na₂SO₄、NaCl和MgCl₂对MMH/Mt悬浮体FL的影响. Na₂SO₄浓度增加,FL急剧降低,表明粘土聚集程度减弱,这可能与SO^2-₄和MMH作用削弱了MMH对Mt的聚集作用有关.从图4还可看出,MgCl₂浓度增加,FL有所上升,而NaCl对FL的影响不大,这与Na⁺和Mg²⁺影响粘土颗粒缔合能力的次序一致.

2.5　CTAB对MMH/Mt悬浮体Bingham屈服值、滤失量和pH值的影响

将阳离子表面活性剂加入粘土悬浮体中会发生阳离子交换反应,粘土表面上的钠和钙离子被有机阳离子取代,同时粘土粒子表面也会被碳氢链覆盖,从而使粘土颗粒的润湿性发生反转,以致产生絮凝和水土分层,分离出的絮凝体经烘干粉碎后成为在油相中分散的有机土.图5是CTAB浓度对MMH/Mt悬浮体YP、FL和pH值的影响.

CTAB浓度增加,MMH/Mt悬浮体的pH值略有降低,而FL大幅度上升,YP急剧下降.CTAB在粘土上发生吸附,可交换出H⁺,致使pH值有所降低.同时,粘土疏水性增加,粘粒间易发生絮凝,对自由水的渗透阻力也削弱,滤失量大幅度上升,而YP的降低则主要是由于CTAB对Mt亲和性很强,阻碍了MMH/Mt复合体的形成,从而削弱和拆散MMH/Mt悬浮体的凝胶结构.对比CTAB(图5)与MgCl₂(图2～4)不难发现,虽然CTAB降低MMH/Mt体系pH值的能力不如MgCl₂,即发生阳离子交换反应的程度不及MgCl₂,但其降低YP、升高FL的能力明显高于MgCl₂,这可能是由于Mg²⁺仅能中和Mt颗粒的负电荷,形成叠胶,而C₁₆H₃₃N⁺(CH₃) ₃不仅改变了Mt颗粒的荷电性能,而且能够极大地削弱粘土颗粒的吸附水化膜,使之发生絮凝.

参　考　文　献　

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