粘土-水系统胶体化学

1、影响ζ-电位的因素
（1）阳离子电价的影响 阳离子饱和粘土负电荷时的ζ-电位，与离
子水化度及离子与粘土吸引力强弱有关。
H＋→Li＋，ζ-电位升高
（2）阳离子浓度的影响
4 d
D
d：双电层厚度
（3）其它因素 腐殖质含量、粘土的矿物组成、电解质阴离
子作用、粘土胶粒形状和Hale Waihona Puke Baidu小、表面光滑度等。
2、ζ-电位对泥浆性能的影响
2. 负电荷
（1）各族矿物荷负电的多少，取决于晶格内 的同晶置换的多少
蒙脱石 > 伊利石 > 高岭石 （2）负电荷分布：
层状硅酸盐的板面上
2. 两性电荷
（1）荷电性与介质PH值的关系 高岭石在酸性条件下，边面带正电
（2）正电荷分布： 层状硅酸盐的边棱、边面上
3. 净电荷
粘土带负电荷
（二）粘土与水的结合
4、泥浆胶溶条件
1）介质呈碱性； 2）必须有R＋交换粘土原来吸附离子 ； 3）阴离子的作用：形成络合物、聚合阴离子。
泥浆的滤水性
（三）泥浆的触变性与膨胀性
1、触变性
（1）含义：P135 （2）特征：假塑性流动 （3）产生原因：“卡片结构”的形成与解体 （4）影响因素：
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
2、膨胀性
系统搅拌时变稠（粘度升高），停止搅拌恢复流动性 膨胀流动
（四）粘土的可塑性
1、定义：
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 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 质称为可塑性。
2、产生原因： 粘土颗粒间作用力
（1）吸力：范德华力、局部边－面静电引力、 毛细管力，作用范围 2nm。
影响结合水量的因素：
1）粘土矿物的种类： 蒙脱石 > 高岭石
2）粘土的分散度： 细度越大，结合水量越高
3）吸附离子的种类： 不同价 M＋ > M2＋ > M3＋ 同价 Li＋ > Na＋ > K＋
结构水
结合水
牢固结合水
松结合水
自由水
含 义
以 OH 基 形 式 存在于粘土 晶格结构内 的水
吸附在粘土矿物 层间及表面的定 向水分子层，它 与粘土胶粒形成 整体并一起移动
φ 粘土离子的扩散双电层
吸附层：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 一层称为吸附层。
扩散层：另一部分水化阳离子不随粘土质点移 动，却向负极移动，这层称为扩散层。
电动电位（ζ-电位）：在外电场作用下，因吸 附层与扩散层各带有相反电荷，在相对移动时两者 之间就存在着电位差，这个电位差称为电动电位或 ζ-电位。
一、概述 二、瘠性料的悬浮
1、料浆PH值的控制 2、有机表面活性剂的添加
1、料浆PH值的控制： 例： 在Al2O3－H2O系统中，加入少量盐酸：
在酸性介质中：
Al2O3 6HCl 2AlCl3 3H2O AlCl3 H2O AlCl2OH HCl AlCl2OH H2O AlCl(OH )2 HCl
阳离子交换 容量（100g 3～15 土）/mmol
20～40
10～40
75～150
100～ 150
5、阳离子交换顺序
与粘土与离子间的作用力有关 电价因素 离子大小
※※粘土阳离子交换顺序： H＋>Al3＋>Ba2＋>Sr2＋>Ca2＋>NH4＋>K＋>Na＋>Li＋
三、 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 粒和液相的界面上会有扩散双电层出现。在电 场或其它力场作用下，带电粘土与双电层的运 动部分之间发生剪切运动而出现来的电学性质 称为电动性质。
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：为PH＝7 时100g干粘土所 吸附的离子的毫克当量数。
影响因素： 1）粘土矿物组成： 与同晶置换多少有关 蒙脱石 > 伊利石 > 高岭石 2）粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的 PH值、离子浓度等
常见粘土的阳离子交换容量
矿物
高岭石 多水高岭石 伊利石 蒙脱石 蛭 石
ζ-电位高，泥浆的稳定性好、流动性好
当 50mV ，泥浆是稳定的
四、 粘土－水系统胶体性质
（一）流变学基础
常见的流动类型： 1）牛顿型流体（理想流体） 2）宾汉流动 3）塑性流动 4）假塑性流动 5）膨胀流动
（二）泥浆的流动性与稳定性
1、泥浆的粘度
0 1 kc
η0 —— 纯水的粘度； c —— 粘土的体积浓度； k —— 与颗粒形状有关的系数。
粘土表面定向 排列过渡到非 定向排列的水 层，它处于胶 粒的扩散层内
粘土胶团 外的非定 向水分子 层
作用 在粘土的结 3～10个水分子
范围
构内
层
<20nm
>20nm
特 点
脱水温度高 （400～ 600℃），脱 水后粘土结
脱水温度低（100～200℃），脱水后晶格结 构不受破坏
密度大、热容小，介电常数小， 冰点低
（2）斥力：静电斥力（粘土颗粒间的ζ-电位）， 作用范围 20nm。
吸力和斥力平衡
3、影响因素：
（1）含水量的影响： （2）电解质的影响：吸附阳离子的种类 （3）粘土矿物组成的影响： （4）颗粒大小和形状的影响： （5）泥料处理工艺的影响： （6）腐殖质含量、添加塑化剂的影响：
五、 瘠性料的悬浮与塑化
第四节 粘土-水系统胶体化学
泥浆：溶胶-悬浮液-粗分散体系
粘土胶体 粘土的离子吸附与交换 粘土-水系统的电动性质 粘土-水系统的胶体性质 瘠性料的悬浮与塑化
一、粘土胶体
（一）粘土的荷电性与带电原因
1. 带电机理
1）晶格内离子的同晶置换（同晶取代） 2）颗粒边棱的价键断裂（边棱破键） 3）颗粒表面（有机）腐殖质电离
2、泥浆的稀释与增稠
胶溶（稀释）：泥浆粘度显著降低，粘土 在水中充分分散。
絮凝（增稠）：泥浆中粘土颗粒相互聚集， 粘度升高。
3、泥浆稀释机理
泥浆粘度与结构的关系:
1）平行结构（面－面分散） 2）卡片结构（边－面分散） 3）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 构，使边－边、边－面结合转变成面－面排列 的过程。
在碱性介质中：
Al2O3 NaOH 2NaAlO2 H2O NaAlO2 Na AlO2
2、有机表面活性剂的添加 阿拉伯胶：加入量少时聚沉；加入量多时悬浮。
三、瘠性料的塑化
1、天然塑化剂：粘土 2、有机塑化剂：有机高分子化合物
1. 粘土与水的结合方式（牢固结合水和松结合水） 三种途径： 通过氢键结合 极性水分子在粘土表面的定向排列 水化离子带进去的水
（2）粘土中水的类型（位置、作用）
1）结构水
以OH基的形式存在于粘土矿物的晶格结构中。
2） 吸附水
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： 牢固结合水 疏松结合水 自由水
构破坏
（三）粘土胶团结构
二、 粘土的离子交换与吸附
1、离子交换的概念
粘土阳离子交换：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
2、阳离子交换的特点
1）同号离子相交换 2）等当量交换 3）交换、吸附是可逆过程 4）交换不影响粘土本身结构
3、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 的两个不同过程。 离子吸附：是粘土胶体与离子之间的相互作用 离子交换：是离子之间的相互作用