金属阳离子对蒙脱石水化膨胀影响的试验研究

黄缓缓

(安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

煤泥水是原煤经过破碎、筛分、重选及浮选等一系列洗选过程后形成的含有大量微细颗粒的悬浮液体系，同时也是由水、电解质和微细颗粒组成的固液混合物，由于固体颗粒的粒度分布存在差异，因此煤泥水又是一个多相分散系[1-3]。煤泥中含有不同种类、不同含量的黏土矿物，这些黏土矿物大多为超细粒矿物，且具有一定的水化膨胀特性，遇水后迅速在分散体系中泥化、膨胀，致使煤泥水成胶体状态[4]而沉降困难，其中蒙脱石对煤泥水沉降特性的影响最为明显，煤泥水中含有多种抑制蒙脱石水化膨胀的阳离子，以Ca2+、 Mg2+、 Na+和K+离子为代表。林祖纕[5]等研究了不同阳离子对蒙脱石层间性质的影响，试验结果表明，蒙脱石吸附水和层间水的脱去可根据层间阳离子种类的不同看作为单一或两阶段脱水过程，且层间阳离子的电价对蒙脱石电导率的影响远大于离子半径对电导率的影响。选煤厂大多采用压滤方法对煤泥进行处理，但由于黏土矿物在沉降和过滤作业中很难除去，一直存在于循环水中，且存留时间较长，导致煤泥水的泥化程度增加，难以沉降[6-7]。蒙脱石水化膨胀已经严重影响到煤泥水的处理，因此，从抑制蒙脱石水化膨胀的角度出发，分析Na+、K+、Ca2+、Mg2+四种阳离子对蒙脱石水化膨胀的抑制性能，开展阳离子对蒙脱石水化作用的研究，以期为解决煤泥水中黏土矿物难沉降问题提供新的研究思路。

1 蒙脱石水化膨胀机理

蒙脱石微观结构由 Si—O 四面体和 Al—O 八面体组成，这两种片状结构按照一定的比例层叠，使其具有吸附性、水化膨胀性、离子交换性和可塑性等性质[8]。八面体中的高价离子会被低价离子替换，如Si4+、Al3+会被K+置换，打破电荷的平衡，产生多余的负电荷，促使阳离子进入层间维持电荷平衡，但是进入层间的阳离子容易被水化，水分子进入层间，从而使蒙脱石水化膨胀。蒙脱石的水化膨胀分为两种形式，一种是利用蒙脱石表面基团和离子剩余价力与水分子发生作用，使颗粒表面发生水化作用；另一种是由于蒙脱石所处环境中的阳离子浓度远大于层间阳离子浓度，在渗透压的作用下，水分子进入层间维持渗透压平衡，迫使晶层间距增大。在这两种水化膨胀过程中，后者是引起蒙脱石体积增大的主要因素，其水化膨胀作用是前者的20倍以上[9]。

2 试验

2.1 蒙脱石性质

以粉状蒙脱石为试验样品，采用SALD-7101激光粒度分析仪对样品粒度组成进行分析，结果如图1所示。由图1可知，颗粒粒度主要集中在0.5～50 μm范围内，属于微细矿物，其d50为3.604 μm。

图1 蒙脱石样品粒度组成分布图

2.2 试验思路

配制浓度为100 g/L的蒙脱石悬浮液和0.1 mol/L的四种离子溶液。试验在50 mL 量筒中进行，通过改变阳离子的种类和含量研究蒙脱石悬浮液的自然沉降效果，当量筒刻度不再发生变化时，即为压缩层最终体积，并记录压缩层不再发生变化的时间。以蒙脱石压缩层体积、过滤后的滤饼水分和过滤速度为试验指标。

2.3 蒙脱石自然沉降试验

当蒙脱石分别溶于0.1 mol/L的钠、钾、钙和镁离子溶液时，蒙脱石水化膨胀和抑制效果如图 2 所示，图中从左到右的排列顺序为：Ca2+、Na+、K+和Mg2+溶液。

图2 蒙脱石的水化膨胀和抑制效果

由图2可知，水化膨胀体积大小顺序为：Ca2+> Mg2+>Na+>K+，可见蒙脱石在0.1 mol/L钾离子溶液中的水化体积膨胀最小，因此，钾离子溶液对蒙脱石的水化膨胀的抑制效果最佳。改变钾离子浓度，进行钾离子浓度对蒙脱石水化膨胀的抑制效果的研究，结果如图3所示。

图3 不同钾离子浓度对蒙脱石水化膨胀的抑制效果

由图3可知，随着钾离子浓度的增加，蒙脱石水化膨胀的抑制作用逐渐明显，压缩层体积呈减小趋势；当钾离子浓度为0.25 mol/L时，蒙脱石自然沉降2 h后的压缩层体积为26 mL。继续增加钾离子浓度时，压缩层体积不再发生变化。

2.4 蒙脱石过滤试验

2.4.1 试验装置

为研究四种离子对蒙脱石过滤效果的影响，在蒙脱石溶液中添加不同用量的四种离子(物质的量浓度均为0.1 mol/L)。过滤试验装置如图4所示。

1—循环水式真空泵；2—抽滤软管；3—具支锥形瓶；4—控压阀门；5—100 mm布氏漏斗；6—抽滤量筒

2.4.2 试验步骤

(1)量取100 mL浓度为100 g/L的矿浆，并用注射器分别加入等量的四种离子溶液。

(2)用磁力搅拌器搅拌3 min后，倒入布氏漏斗，然后打开真空泵，通过调节控压阀门调节过滤压力。试验采用恒压过滤，控制试验过滤压力为0.04 MPa。

(3)待滤饼表面水抽干时，关闭真空泵电源，并记录时间。

(4)取出滤饼称重，在105 ℃烘箱中烘干1 h后，再次称重记录并计算水分。

2.4.3 蒙脱石过滤试验结果分析

离子添加量对蒙脱石脱水特性影响的结果如图5所示。

图5 不同离子用量对蒙脱石脱水特性的影响

由图5可知，当蒙脱石浓度为100 g/L时，在离子浓度和添加量均相同的情况下，可看出钾离子对蒙脱石过滤速率的影响最大，说明钾离子更易于脱水过滤，且在一定离子浓度范围内，滤饼水分较其他三种离子水分低。

3 机理分析

煤泥水中K+、Na+主要通过压缩颗粒表面双电层和去质子化作用影响颗粒表面电动点位特性；Mg2+、Ca2+主要通过压缩双电层和颗粒表面的特性吸附作用降低颗粒表面的ζ电位。蒙脱石颗粒表面的水化能力要远强于溶液中阳离子的水化能力，且阳离子均是通过影响水化作用，最后达到减小水化膜厚度的目的。蒙脱石颗粒表面层双电层内存在游离水，Na+、K+等低价离子和Ca2+、Mg2+等高价离子主要改变颗粒表面与水分子的直接水化作用能力，迫使双电层中剪切面产生移动，从而减小颗粒表面水化膜的厚度；但是高价离子对蒙脱石表面的影响主要是通过发生特性吸附来调控蒙脱石表面，进而改变水化膜厚度[10-12]。

四种阳离子中，K+抑制蒙脱石的水化膨胀作用最强，这是由于K+的水化能为 393 kJ/mol，均低于 Ca2+、Mg2+和Na+等阳离子，蒙脱石颗粒会优先吸附水化能较低的阳离子进行吸附，因此，K+比Na+、Ca2+和 Mg2+更优先被吸附。当 K+被蒙脱石吸附后，就会嵌入于颗粒晶层间，而迫使晶层间已存在的水分子排出，晶层受到一定程度的压缩之后，蒙脱石很难进行再次水化作用；水化作用后的K+直径小于晶层间距离，能顺利嵌入在蒙脱石的晶层间，进入晶层间后，K+不再产生水化作用，因此其离子体积相应减小，使原本被撑开的晶层又相互靠近，导致各个晶层间距压缩，蒙脱石颗粒发生体积收缩作用，并且晶层间K+的键合作用在一定程度上抑制邻近晶层间的膨胀或分离过程[13-15]。由于K+的晶格固定作用形成紧密构造，导致黏土水化作用几乎无法进行。

4 结论

(1)通过自然沉降试验和过滤试验，研究了钠、钾、钙和镁离子对蒙脱石水化膨胀的抑制性能影响。蒙脱石在四种离子溶液中膨胀体积大小顺序为：Ca2+> Mg2+>Na+>K+，其中以在钾离子溶液中体积膨胀最小，蒙脱石在钾离子溶液中的过滤速度明显快于在其他三种离子。

(2)钾离子溶液对蒙脱石水化膨胀的抑制效果最佳，且钾离子对蒙脱石膨胀的抑制性能优于Na+、Ca2+和Mg2+。K+被蒙脱石吸附并嵌入晶层间，使晶层间已有的水分子排出，且晶层间的K+的键合作用极大地抑制住了邻近晶层间的膨胀或分离过程。