粘土矿物.ppt

（二）粘土的可交换阳离子及阳离子交换容量
1、可交换阳离子 为了保持粘土的电中性，粘土必然从分散介质中
吸附等电量的阳离子。这些阳离子可以被分散介质中 的其它阳离子所交换，因而称粘土的交换性阳离子。
2、阳离子交换容量 粘土的阳离子交换容量是指分散介质PH为7的情
况下，粘土所能交换下的阳离子总量，记为CEC （cation exchange capacity），单位是mmol/kg。 它反映了粘土晶体的晶格取代度。
•1、1﹕1型晶层
•由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。
高岭石的晶体结构 （1﹕1层型，层间距0.72 nm）
层面是O
层面上是O
Si-O晶片 Al-O晶片
常见的粘土矿物-高岭石
（最早发现于中国景德镇高岭林而得名）
2、2﹕1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体晶片构成。
ห้องสมุดไป่ตู้氧原子
第一章 粘土矿物
• 粘土在钻井工艺中起着极其重要的作用，粘土的种 类和数量直接影响钻井液的性能、井眼的稳定性以 及油气层的保护。
• 粘土主要由粘土矿物（含水的硅铝酸盐）组成，呈 颗粒状，其颗粒大多数小于2μm。它在水中具有水 化性、分散性、带电性、离子交换性。这些性能对 于处理与配制钻井液都具有重要作用，是主要的配 浆用原料。
3、粘土矿物阳离子交换容量
粘土带电量通常用CEC表示， CEC越大，说明粘土所带 负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。
矿物名称
带电原因（主）
电荷分布
高岭石 蒙脱石 伊利石
解离 晶格取代 晶格取代
边缘 AI-O八面体 SI-O四面体
CEC
mmol/100g土 3-15
70-130
20-40
3、可变性（端面 ）正电荷 • 当粘土介质的pH值小于9时，粘土晶体端面上带正电荷，
这是因为裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质 中解离出OH-:
＞Al-OH→＞Al++OH-（两性偏碱性）
粘土表面-OH的两性表现
4、净电荷数
粘土的正电荷与负电荷的代数和称为粘土晶体颗粒的净电 荷数。粘土的负电荷数一般多于正电荷，所以粘土颗粒总起来 讲是带负电荷。
Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片
氧原子
可交换阳离子 nH2O结晶水
蒙脱石的晶体结构（2﹕1层型）
•单元晶层面与面堆积在一起形成晶体 •一个单元晶层到相邻的单元晶层之间的垂直距离称
为晶层间距
•层间物：层间水、层间阳离子 •晶层与晶层之间主要靠分子间力堆积在一起
(四）晶格取代
在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外阳离子所置 换，产生过剩电荷的现象。
一、粘土矿物的结构
（一）硅氧四面体与硅氧四面体晶片
• 其最基本的结构单元是 SiO4四面体，多个SiO4 四面体通过共用顶角上 的一个、二个或三个、 四个氧原子连成链状、 环状、片状或三维网状 结构。在空间重复形成 硅氧四面体晶片。
硅氧四面体晶片
硅氧四面体的六方网格结构 内切圆直径0.288 nm，硅氧四面体片的厚度0.5 nm
Si-O四面体：Al3+取代Si4+ Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+
粘土带负电荷
二、粘土的性质 （一）粘土的带电性
粘土颗粒通常带有负电荷。 粘土带负电是它具有一系列电化学性质的根本原因。 1、永久性（负）电荷 永久性电荷是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用 产生的 ，如四价硅被三价铝取代如伊利石等；三价铝为Fe2+、 Mg2+取代如蒙脱石。晶格取代是粘土带电荷的主要来源。
1.27
1.43
1.45
水合阳离子
半径（埃） 3.3
1.6
1.0
0.7
-
0.4 7.0 5.2 4.7 2.0
-
（3）H+水化半径小。H+与水形成H3O+，它们在粘土中表面 的吸附特别强。这也是泥浆性能的研究中格外重视pH值的重 要原因。 （4）不同粘土矿物的影响 阳离子的离子吸附能力由小到大交换顺序： 高岭石 Li+＜Na+NH 4+＜H+ K+＜Mg2+＜Ca2+
（二）铝氧八面体与铝氧八面体晶片
铝氧八面体的六个顶点为氧或氢氧原子团，Al3+或Fe3+、 Fe2+、Mg2+置于八面体的中央，通常是Al3+。
铝氧八面体
单个的铝氧八面体通过共用顶角的原子或者原子团在空间 重复形成晶片。
铝氧八面体晶片
（三） 晶层的结构
•硅氧四面体晶片与铝氧八面体晶片通过共价键以适当的方法 结合，构成晶层。
特点：电荷量不受pH值、介质的影响！
2、可变（负）电荷 粘土所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变。
原因： （1）铝氧八面体中＞Al-OH是两性的，在碱性介质中电出
H+，使粘土带负电荷； 在酸性介质中则电离出OH-，使粘土带正电荷。 一般情况下钻井液呈碱性，所以粘土带负电荷。
（2）粘土晶层在外力作用下发生断裂，则在断裂的边缘处 可能带负电，可能带正电荷。
2、离子交换吸附的特点 （1）同性离子交换吸附 阳离子→阳离子 （2）等电量交换吸附 2Na+→Ca2+ （3）离子交换吸附是可逆的 3、离子交换吸附强弱的规律
（1）一般在溶液中浓度相差不大时，离子价数越高， 与粘土表面的吸附能力越强，也越难从粘土表面上被交换下
来，所以 Ca2+的吸附能力比Na+强。
蒙脱石 Li+＜Na+ NH4+＜K+ H+＜Mg2+＜Ca2+
（四）粘土矿物的水及水化 1、结晶水
这是粘土矿物晶体构造中的一部分，只有温度高于300℃ 以上时，结晶受到破坏，这部分水才能释放出来。 2、吸附水
（2）离子半径对离子交换吸附的影响：当相同价数的各种 离子浓度相近时，一般离子半径小，水化半径大，离子中
心离粘土表面越远，则吸附弱。
Li+
Na+
K+
NH4+ Rb+
Cs+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ H3O+
阳离子半径 （埃）
0.78
0.98
1.33
1.43
1.49
1.65
0.78
1.06
（三）粘土-水界面的吸附作用——离子交换吸附
1、离子交换吸附： 就是一种离子被吸附的同时从吸附剂表面顶替出等电量
的带相同电荷的另一种离子的过程。 由于粘土颗粒带负电荷，它在溶液中能吸附阳离子，进
行阳离子交换吸附。离子交换吸附是经常发生的，例如:在泥 浆 中 2Na+ 与 Ca2+ 的 交 换 吸 附 ， 又 如 饱 含 盐 水 泥 浆 pH 下 降 ， Na+与H+的交换吸附。