用活性白土直接制備有機白土

張秀英

(山東理工大學材料科學與工程學院)

有機潤膨土是利用有機改性劑(常用的是碳原子數在16～18之間的陽離子型或陰離子型表面活性劑)對膨潤土進行化學改性而得到的一種憎水親油型膨潤土。但是其成本較高，顏色較深。由于原料的限制，想直接制備顏色較淺的有機膨潤土非常困難。

活性白土是以膨潤土為原料，經過無機酸處理制成的一種吸附劑。活性白土呈乳白色，無味無毒，比表面積大，且化學性質穩定，具有出色的吸附和脫色性能。我國活性白土的生產廠家眾多，產量大，主要產地集中在華北、東北及華東地區［1］。活性白土是目前膨潤土深加工產品中產量最大的品種。

為了更好地利用膨潤土資源，提高生產效益，目前有學者將活性白土加工成堿性白土，再進一步通過有機化處理制備成有機白土［2］，而對活性白土直接進行有機化處理的極少見報道。本試驗用活性白土直接與不同有機改性劑進行反應，探索成本低、性能好、加工工藝更加簡便的有機白土的制備途徑。

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

(1)膨潤土。取自山東濰坊，為鈣基膨潤土，其性能見表1。

表1 原料膨潤土性能

(2)試劑。萊陽經濟技術開發區精細化工廠產鹽酸、無水乙醇，揚子化工有限公司產硬脂酸，天津市光復精細化工研究所產十六烷基三甲基溴化銨(CATB)，均為分析純。

1.2 試驗設備

上海光地儀器設備有限公司產HHS－2S型電子恒溫水浴鍋，美國THERMO公司產Nicolet5700型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，德國Brucker公司產D8－ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)，龍口市電爐制造廠產101A－1型電熱恒溫鼓風干燥箱和SX2型箱式電阻爐，鄭州長城科工貿有限公司產SHB－Ⅲ循環水式多用真空泵，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司產JJ－1型精密定時電動攪拌器，燒杯、三口燒瓶等。

2 試驗方法

2.1 有機白土的制備

2.1.1 膨潤土的預處理

取原料膨潤土300 g放入2 L的燒杯中，加水1 000 mL浸泡24 h，攪拌至充分漿化后，沉降分離粗、細顆粒并將細顆粒漿體儲存。重復上述過程，直至上層液體澄清為止。將儲存的漿體抽濾、干燥、研磨、過200目篩，得到提純膨潤土。

2.1.2 活性白土的制備

稱取50 g提純膨潤土加入到500 mL的三口燒瓶中，按1∶4的固液比加入質量分數為15%的鹽酸溶液，然后將三口燒瓶放入95℃的恒溫水浴中，用電動攪拌器進行攪拌活化。3 h后用蒸餾水反復洗滌，至漿液的pH值達4～5時，干燥、研磨、過200目篩，得到活性白土。

2.1.3 活性白土的有機改性

活性白土的有機改性采用濕法，以便在實際生產時能與前面的濕法提純、濕法活化工序結合起來，達到簡化流程、降低生產成本的目的。分別采用硬脂酸和CATB兩種有機改性劑，以便選擇性價比更優的有機白土產品。

將5 g活性白土裝入500 mL的三口燒瓶配制成固液比為1∶10的礦漿，置于恒溫水浴中邊攪拌邊加熱，使活性白土在水中充分分散;另取一定量(按有機改性劑與活性白土的質量比計)的硬脂酸放入100 mL的小燒杯中，加入30 mL無水乙醇使其充分溶解;當活性白土礦漿達到一定溫度時加入硬脂酸溶液，中速攪拌一定時間。攪拌完畢后將礦漿反復洗滌、干燥、研磨、過200目篩，即得有機白土成品。

用CATB作有機改性劑時，制備過程與用硬脂酸時相似，唯一的區別是不需將CATB預先溶解，直接添加即可。

2.2 成品有機物含量測定及結構分析

采用灼燒減量法［3］測定有機白土成品的有機物含量。首先對有機白土成品進行灼燒并測出灼燒前后有機白土的質量m0和m1，然后按下式計算有機物含量S:

用紅外光譜儀(FTIR)分析有機白土的主要成分以及官能團，并與活性白土進行對比，以此判斷有機官能團是否進入了蒙脫石的晶體結構。用X射線衍射儀(XRD)檢測有機白土中蒙脫石的層間距是否增大，操作參數為X射線波長0.154 nm、Cu靶、管電壓40 kV、管電流40 mA、功率2.2 kW。

3 試驗結果與討論

3.1 有機改性影響因素研究

3.1.1 有機改性劑種類試驗

分別以硬脂酸和CATB為有機改性劑制備有機白土，所得成品的有機物含量如表2所示。

表2 有機改性劑種類試驗結果

表2顯示，在有機改性劑用量和反應條件相同的情況下，兩種有機白土中有機物的含量分別為26.8%、29.5%，僅相差2.7個百分點;而在價格方面，后者要昂貴很多。因此，從性價比考慮，選用硬脂酸作為活性白土的有機改性劑繼續后面的試驗。

3.1.2 有機改性劑用量試驗

在60℃下，向活性白土礦漿中分別加入與活性白土的質量比為30%、40%、50%、60%、70%的硬脂酸，反應2 h，所得有機白土有機物含量的變化如圖1所示。

圖1 有機改性劑用量試驗結果

從表2可以看出，有機白土中有機物的含量隨硬脂酸用量的增加先迅速提高，當硬脂酸的用量增加到與活性白土的質量比為60%時達到最大值28.5%，此后反而開始降低。因此，選擇硬脂酸與活性白土的質量比為60%。

3.1.3 反應時間試驗

向活性白土礦漿中加入與活性白土質量比為60%的硬脂酸，在60℃的條件下分別反應1、1.5、2、2.5、3 h，所得有機白土中有機物含量的變化如圖2所示。

圖2 反應時間試驗結果

由圖2可見:反應時間太短時，反應不徹底，所以有機白土中有機物的含量較低;而反應時間太長時，有可能使已經吸附在活性白土表面的有機物解吸，從而導致有機白土中有機物的含量下降。根據試驗結果，最合適的反應時間應該是2 h。

3.1.4 反應溫度試驗

向活性白土礦漿中加入與活性白土質量比為60%的硬脂酸，分別在30、40、50、60、70℃下反應2 h，所得有機白土中有機物含量的變化如圖3所示。

圖3 反應溫度試驗結果

由圖3可見，有機白土中有機物的含量在60℃時達到最大值28.9%。因此，選擇反應溫度為60℃。

3.2 有機白土的結構表征

對硬脂酸與活性白土的質量比為60%、反應溫度為60℃、反應時間為2 h條件下制得的有機活性白土進行XRD分析及FTIR分析。

3.2.1 FTIR分析

樣品的FTIR分析結果見圖4。

圖4中，在波數為2 917.1 cm－1和2 849.5 cm－1處的振動吸收峰代表—CH2的存在，在波數為1 576.6 cm－1、1 541.4 cm－1處的吸收峰為C==O的伸縮振動所致。這表明硬脂酸酸根已經進入了蒙脫石的晶體結構。

圖4 有機白土FTIR分析結果

3.2.2 XRD分析

樣品的XRD分析結果見圖5。

圖5 有機白土XRD分析結果

圖5顯示:有機白土完整保留了活性白土原有的晶體結構。樣品在3.72°處的d(001)值為2.37 nm，說明硬脂酸根離子插入蒙脫石晶層間使蒙脫石的層間距擴大了0.79 nm;在5.573°處保留了1.58 nm的衍射峰，說明活性白土的有機化處理不是很徹底，這是由于有機改性劑為陰離子型，而蒙脫石層間的可交換性離子為陽離子，它們之間的化學反應較困難所致。

4 結論

(1)以價格較低的硬脂酸為有機改性劑，采用簡單的工藝，可將活性白土直接加工成性能良好的有機白土。

(2)用活性白土直接制備有機白土的合適條件是:硬脂酸與活性白土的質量比為60%，反應溫度為60℃，反應時間為2 h。在此條件下，所得有機白土中的有機物含量為28.9%。

(3)所制備的有機白土中，蒙脫石的層間距達到2.37 nm，比活性白土中蒙脫石的層間距增大了0.79 nm，表明硬脂酸根已經插入蒙脫石層間;紅外光譜分析也證明了這一點。但是活性白土的有機改性不是很完全，還有待改進。

［1］ 韓雪松.我國活性白土的生產狀況［J］.上海化工，2010，35(6):31-33.

［2］ 吳鐵力，韋藤幼，潘遠風，等.活性白土的硬脂酸表面改性及其表征［J］.非金屬礦，2011，34(2):32-34.

［3］ HG/T2248—1991 涂料用有機膨潤土［S］.北京:［出版者不詳］，1992.