金屬陽離子對蒙脫石水化膨脹影響的試驗研究

黃緩緩

(安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

煤泥水是原煤經過破碎、篩分、重選及浮選等一系列洗選過程后形成的含有大量微細顆粒的懸浮液體系，同時也是由水、電解質和微細顆粒組成的固液混合物，由于固體顆粒的粒度分布存在差異，因此煤泥水又是一個多相分散系[1-3]。煤泥中含有不同種類、不同含量的黏土礦物，這些黏土礦物大多為超細粒礦物，且具有一定的水化膨脹特性，遇水后迅速在分散體系中泥化、膨脹，致使煤泥水成膠體狀態[4]而沉降困難，其中蒙脫石對煤泥水沉降特性的影響最為明顯，煤泥水中含有多種抑制蒙脫石水化膨脹的陽離子，以Ca2+、 Mg2+、 Na+和K+離子為代表。林祖纕[5]等研究了不同陽離子對蒙脫石層間性質的影響，試驗結果表明，蒙脫石吸附水和層間水的脫去可根據層間陽離子種類的不同看作為單一或兩階段脫水過程，且層間陽離子的電價對蒙脫石電導率的影響遠大于離子半徑對電導率的影響。選煤廠大多采用壓濾方法對煤泥進行處理，但由于黏土礦物在沉降和過濾作業中很難除去，一直存在于循環水中，且存留時間較長，導致煤泥水的泥化程度增加，難以沉降[6-7]。蒙脫石水化膨脹已經嚴重影響到煤泥水的處理，因此，從抑制蒙脫石水化膨脹的角度出發，分析Na+、K+、Ca2+、Mg2+四種陽離子對蒙脫石水化膨脹的抑制性能，開展陽離子對蒙脫石水化作用的研究，以期為解決煤泥水中黏土礦物難沉降問題提供新的研究思路。

1 蒙脫石水化膨脹機理

蒙脫石微觀結構由 Si—O 四面體和 Al—O 八面體組成，這兩種片狀結構按照一定的比例層疊，使其具有吸附性、水化膨脹性、離子交換性和可塑性等性質[8]。八面體中的高價離子會被低價離子替換，如Si4+、Al3+會被K+置換，打破電荷的平衡，產生多余的負電荷，促使陽離子進入層間維持電荷平衡，但是進入層間的陽離子容易被水化，水分子進入層間，從而使蒙脫石水化膨脹。蒙脫石的水化膨脹分為兩種形式，一種是利用蒙脫石表面基團和離子剩余價力與水分子發生作用，使顆粒表面發生水化作用；另一種是由于蒙脫石所處環境中的陽離子濃度遠大于層間陽離子濃度，在滲透壓的作用下，水分子進入層間維持滲透壓平衡，迫使晶層間距增大。在這兩種水化膨脹過程中，后者是引起蒙脫石體積增大的主要因素，其水化膨脹作用是前者的20倍以上[9]。

2 試驗

2.1 蒙脫石性質

以粉狀蒙脫石為試驗樣品，采用SALD-7101激光粒度分析儀對樣品粒度組成進行分析，結果如圖1所示。由圖1可知，顆粒粒度主要集中在0.5～50 μm范圍內，屬于微細礦物，其d50為3.604 μm。

圖1 蒙脫石樣品粒度組成分布圖

2.2 試驗思路

配制濃度為100 g/L的蒙脫石懸浮液和0.1 mol/L的四種離子溶液。試驗在50 mL 量筒中進行，通過改變陽離子的種類和含量研究蒙脫石懸浮液的自然沉降效果，當量筒刻度不再發生變化時，即為壓縮層最終體積，并記錄壓縮層不再發生變化的時間。以蒙脫石壓縮層體積、過濾后的濾餅水分和過濾速度為試驗指標。

2.3 蒙脫石自然沉降試驗

當蒙脫石分別溶于0.1 mol/L的鈉、鉀、鈣和鎂離子溶液時，蒙脫石水化膨脹和抑制效果如圖 2 所示，圖中從左到右的排列順序為：Ca2+、Na+、K+和Mg2+溶液。

圖2 蒙脫石的水化膨脹和抑制效果

由圖2可知，水化膨脹體積大小順序為：Ca2+> Mg2+>Na+>K+，可見蒙脫石在0.1 mol/L鉀離子溶液中的水化體積膨脹最小，因此，鉀離子溶液對蒙脫石的水化膨脹的抑制效果最佳。改變鉀離子濃度，進行鉀離子濃度對蒙脫石水化膨脹的抑制效果的研究，結果如圖3所示。

圖3 不同鉀離子濃度對蒙脫石水化膨脹的抑制效果

由圖3可知，隨著鉀離子濃度的增加，蒙脫石水化膨脹的抑制作用逐漸明顯，壓縮層體積呈減小趨勢；當鉀離子濃度為0.25 mol/L時，蒙脫石自然沉降2 h后的壓縮層體積為26 mL。繼續增加鉀離子濃度時，壓縮層體積不再發生變化。

2.4 蒙脫石過濾試驗

2.4.1 試驗裝置

為研究四種離子對蒙脫石過濾效果的影響，在蒙脫石溶液中添加不同用量的四種離子(物質的量濃度均為0.1 mol/L)。過濾試驗裝置如圖4所示。

1—循環水式真空泵；2—抽濾軟管；3—具支錐形瓶；4—控壓閥門；5—100 mm布氏漏斗；6—抽濾量筒

2.4.2 試驗步驟

(1)量取100 mL濃度為100 g/L的礦漿，并用注射器分別加入等量的四種離子溶液。

(2)用磁力攪拌器攪拌3 min后，倒入布氏漏斗，然后打開真空泵，通過調節控壓閥門調節過濾壓力。試驗采用恒壓過濾，控制試驗過濾壓力為0.04 MPa。

(3)待濾餅表面水抽干時，關閉真空泵電源，并記錄時間。

(4)取出濾餅稱重，在105 ℃烘箱中烘干1 h后，再次稱重記錄并計算水分。

2.4.3 蒙脫石過濾試驗結果分析

離子添加量對蒙脫石脫水特性影響的結果如圖5所示。

圖5 不同離子用量對蒙脫石脫水特性的影響

由圖5可知，當蒙脫石濃度為100 g/L時，在離子濃度和添加量均相同的情況下，可看出鉀離子對蒙脫石過濾速率的影響最大，說明鉀離子更易于脫水過濾，且在一定離子濃度范圍內，濾餅水分較其他三種離子水分低。

3 機理分析

煤泥水中K+、Na+主要通過壓縮顆粒表面雙電層和去質子化作用影響顆粒表面電動點位特性；Mg2+、Ca2+主要通過壓縮雙電層和顆粒表面的特性吸附作用降低顆粒表面的ζ電位。蒙脫石顆粒表面的水化能力要遠強于溶液中陽離子的水化能力，且陽離子均是通過影響水化作用，最后達到減小水化膜厚度的目的。蒙脫石顆粒表面層雙電層內存在游離水，Na+、K+等低價離子和Ca2+、Mg2+等高價離子主要改變顆粒表面與水分子的直接水化作用能力，迫使雙電層中剪切面產生移動，從而減小顆粒表面水化膜的厚度；但是高價離子對蒙脫石表面的影響主要是通過發生特性吸附來調控蒙脫石表面，進而改變水化膜厚度[10-12]。

四種陽離子中，K+抑制蒙脫石的水化膨脹作用最強，這是由于K+的水化能為 393 kJ/mol，均低于 Ca2+、Mg2+和Na+等陽離子，蒙脫石顆粒會優先吸附水化能較低的陽離子進行吸附，因此，K+比Na+、Ca2+和 Mg2+更優先被吸附。當 K+被蒙脫石吸附后，就會嵌入于顆粒晶層間，而迫使晶層間已存在的水分子排出，晶層受到一定程度的壓縮之后，蒙脫石很難進行再次水化作用；水化作用后的K+直徑小于晶層間距離，能順利嵌入在蒙脫石的晶層間，進入晶層間后，K+不再產生水化作用，因此其離子體積相應減小，使原本被撐開的晶層又相互靠近，導致各個晶層間距壓縮，蒙脫石顆粒發生體積收縮作用，并且晶層間K+的鍵合作用在一定程度上抑制鄰近晶層間的膨脹或分離過程[13-15]。由于K+的晶格固定作用形成緊密構造，導致黏土水化作用幾乎無法進行。

4 結論

(1)通過自然沉降試驗和過濾試驗，研究了鈉、鉀、鈣和鎂離子對蒙脫石水化膨脹的抑制性能影響。蒙脫石在四種離子溶液中膨脹體積大小順序為：Ca2+> Mg2+>Na+>K+，其中以在鉀離子溶液中體積膨脹最小，蒙脫石在鉀離子溶液中的過濾速度明顯快于在其他三種離子。

(2)鉀離子溶液對蒙脫石水化膨脹的抑制效果最佳，且鉀離子對蒙脫石膨脹的抑制性能優于Na+、Ca2+和Mg2+。K+被蒙脫石吸附并嵌入晶層間，使晶層間已有的水分子排出，且晶層間的K+的鍵合作用極大地抑制住了鄰近晶層間的膨脹或分離過程。