無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)-4-4-粘土

第四節(jié)粘土—水系統(tǒng)膠體化學(xué)

黏土的電荷性黏土的離子吸附與交替黏土膠體的電動(dòng)性質(zhì)粘土-水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)瘠性料的懸浮與塑化一、粘土的荷電性

1、負(fù)電荷產(chǎn)生的原因：主要是由于粘土晶格內(nèi)離子的同晶置換、吸附在粘土表面的腐殖質(zhì)離解而產(chǎn)生的。

2、兩性電荷

3、凈電荷粘土的正電荷和負(fù)電荷的代數(shù)和是粘土的凈電荷。粘土一般是帶有負(fù)電荷的。高嶺石邊面上的電荷二、粘土的離子吸附與交換

1、定義：

2、粘土的離子吸附與交換的特點(diǎn)：（1）同號(hào)離子相互交換；（2）離子以等當(dāng)量交換；（3）交換和吸附是可逆過(guò)程，離子交換并不影響粘土本身的結(jié)構(gòu)。如：Na

粘土+Ca2+=Ca-粘土+2Na+Na

注意：交換和吸附是兩個(gè)不同的概念3、在生產(chǎn)中的應(yīng)用：利用粘土的陽(yáng)離子交換性質(zhì)可以提純粘土及制備單一離子的粘土。

X-樹(shù)脂+Y-粘土=Y-樹(shù)脂+X-粘土4、粘土的陽(yáng)離子交換容量用100克干粘土所吸附離子的毫克當(dāng)量數(shù)來(lái)表示。它代表粘土在一定pH條件下的凈負(fù)電荷數(shù)。

5、影響粘土的陽(yáng)離子交換容量礦物組成、粘土的細(xì)度、含腐殖質(zhì)數(shù)量、溶液的PH值、離子的濃度等根據(jù)離子價(jià)效應(yīng)和離子水化半徑，可將粘土的陽(yáng)離子交換順序排列如下：

H+>Al3+>Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+

三、粘土膠體的電動(dòng)性質(zhì)

1、粘土與水的作用

粘土與水的作用由以下幾個(gè)原因造成的：（1）粘土晶粒表面上的氧與氫氧基可以與靠近表面的水分子通過(guò)氫鍵而鍵合；（2）粘土表面負(fù)電荷在粘土表面附近存在一個(gè)靜電場(chǎng)，使極性水分子定向排列；（3）粘土表面吸附著水化陽(yáng)離子。

水在粘土周圍隨著距離增大結(jié)合力的減弱而分成牢固結(jié)合水、疏松結(jié)合水和自由水。粘土與這三種水結(jié)合的狀態(tài)與數(shù)量將會(huì)影響粘土-水系統(tǒng)的工藝性能。影響粘土結(jié)合水量的因素有粘土礦物組成、粘土分散度、粘土吸附陽(yáng)離子種類等。粘土與水結(jié)合情況示意圖

（1）粘土的結(jié)合水量一般與粘土陽(yáng)離子交換容量成正比；

（2）高嶺石的結(jié)合水量隨粒度減小而增高。

（3）粘土與一價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合水量>與二價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合的水量>與三價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合的水量；同價(jià)離子與粘土結(jié)合水量是隨著離子半徑增大，結(jié)合水量減少。被粘土吸附的Na和Ca的水化值粘土吸附容量

CaNa結(jié)合水量（克/百克土）每個(gè)陽(yáng)離子水化分子數(shù)Na與Ca的水化比值Na-粘土Ca-粘土

23.7

18.07524.517576.22.32、粘土膠體的電動(dòng)電位

（1）電動(dòng)性質(zhì)：在電場(chǎng)或其他力場(chǎng)作用下，固體顆?；蛞合嘞鄬?duì)另一相作相對(duì)位移時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)性質(zhì)。

（2）擴(kuò)散雙電層的形成

a、吸附層：在外電場(chǎng)作用下，被粘土質(zhì)點(diǎn)牢固吸附的水化陽(yáng)離子層。這一層隨粘土質(zhì)點(diǎn)一起向正極移動(dòng)

b、擴(kuò)散層：吸附層以外的、定向程度較差的水化陽(yáng)離子區(qū)域這一層不隨粘土質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)，而向負(fù)極移動(dòng)。c、電動(dòng)電位：吸附層與擴(kuò)散層相對(duì)移動(dòng)時(shí)兩者之間的電位差（-電位）d、熱力學(xué)電位：粘土質(zhì)點(diǎn)的表面與擴(kuò)散層之間的總電位差等電狀態(tài)：—電位等于零的狀態(tài)粘土的電動(dòng)電位電動(dòng)電位的公式：粘土吸附了不同的陽(yáng)離子后對(duì)電動(dòng)電位的影響不同的陽(yáng)離子所飽和的粘土的電動(dòng)電位離子半徑（3）影響電動(dòng)電位的因素：陽(yáng)離子的電價(jià)、陽(yáng)離子的濃度、粘土的礦物組成、電解質(zhì)陰離子的作用、粘土膠粒形狀和大小、表面光滑程度等。

（A）吸附陽(yáng)離子對(duì)-電位的影響（B）電解質(zhì)的濃度對(duì)-電位的影響

（C）粘土內(nèi)有機(jī)質(zhì)對(duì)-電位的影響

（C）粘土內(nèi)有機(jī)質(zhì)對(duì)-電位的影響如果粘土內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量增加，導(dǎo)致粘土-電位升高。

（4）粘土膠團(tuán)結(jié)構(gòu)膠核+吸附層+擴(kuò)散層膠核：粘土質(zhì)點(diǎn)本身，膠核是帶負(fù)電的膠粒：膠核+吸附層膠團(tuán)：膠粒+擴(kuò)散層粘土的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3、吸附與交換的區(qū)別

離子吸附和離子交換是一個(gè)反應(yīng)中同時(shí)進(jìn)行的兩個(gè)不同過(guò)程。離子吸附：是粘土膠體與離子之間的相互作用離子交換：是離子之間的相互作用應(yīng)用：提純粘土和制備單一離子的粘土

4、陽(yáng)離子交換容量

陽(yáng)離子交換容量：為PH＝7時(shí)100g干粘土所吸附的離子的毫克當(dāng)量數(shù)。影響因素：1）粘土礦物組成：與同晶置換多少有關(guān)蒙脫石>伊利石>高嶺石2）粘土的細(xì)度、含腐殖質(zhì)數(shù)量、溶液的PH值、離子濃度等

常見(jiàn)粘土的陽(yáng)離子交換容量礦物高嶺石多水高嶺石伊利石蒙脫石蛭石陽(yáng)離子交換容量（100g土）/mmol3～1520～4010～4075～150100～1505、陽(yáng)離子交換順序與粘土與離子間的作用力有關(guān)電價(jià)因素離子大小

※※粘土陽(yáng)離子交換順序：H＋>Al3＋>Ba2＋>Sr2＋>Ca2＋>NH4＋>K＋>Na＋>Li＋（二）泥漿的流動(dòng)性與穩(wěn)定性

1、泥漿粘度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系1）平行結(jié)構(gòu)（面－面分散）2）卡片結(jié)構(gòu)（邊－面分散）3）棚架結(jié)構(gòu)（邊－邊分散）

2、泥漿的稀釋與增稠膠溶（稀釋）：泥漿粘度顯著降低，粘土在水中充分分散。

絮凝（增稠）：泥漿中粘土顆粒相互聚集，粘度升高。泥漿膠溶的條件：1）介質(zhì)呈堿性；2）必須有R＋交換粘土原來(lái)吸附離子；3）陰離子的作用：形成絡(luò)合物、聚合陰離子。（三）泥漿的觸變性與膨脹性

1、觸變性（1）含義：P135

（2）特征：假塑性流動(dòng)（3）產(chǎn)生原因：“卡片結(jié)構(gòu)”的形成與解體（4）影響因素：粘土含水量、粘土礦物組成、粘土膠粒的大小與形狀、電解質(zhì)種類和數(shù)量、溫度的影響

2、膨脹性系統(tǒng)攪拌時(shí)變稠（粘度升高），停止攪拌恢復(fù)流動(dòng)性

膨脹流動(dòng)（四）粘土的可塑性1、定義：當(dāng)粘土與適當(dāng)比例的水混合均勻制成泥團(tuán)，該泥團(tuán)受到高于某一個(gè)數(shù)值剪切應(yīng)力作用后，可以塑造成任何形狀，當(dāng)去除應(yīng)力泥團(tuán)能保持其形狀，這種性質(zhì)稱為可塑性。

2、產(chǎn)生原因：（1）吸力：范德華力、局部邊－面靜電引力、毛細(xì)管力，作用范圍2nm。（2）斥力：靜電斥力（粘土顆粒間的ζ-電位），作用范圍20nm。粘土顆粒間作用力吸力和斥力平衡3、影響因素：（1）含水量的影響：（2）電解質(zhì)的影響：吸附陽(yáng)離子的種類（3）粘土礦物組成的影響：（4）顆粒大小和形狀的影響