黏土礦物的吸附性是指黏土礦物截留或吸附固體、氣體、液體及溶于液體中物質的能力。吸附性是黏土礦物的重要特性之一。
1、黏土礦物為什么具有吸附性?
黏土礦物的吸附性按照引起吸附的原因不同可以分為三類:物理吸附、化學吸附和離子交換吸附。
(1)物理吸附
物理吸附是指吸附劑與吸附質之間是由于分子間引力作用而產生的吸附,由氫鍵所產生的吸附也屬物理吸附。物理吸附是可逆的,在吸附發生一定時間之后,其吸附速度和解吸速度在一定溫度、濃度條件下呈動態平衡狀態。
黏土礦物產生物理吸附的原因是它具有很大的比表面積,因此吸附能力很強。
(2)化學吸附
化學吸附是指由吸附劑與吸附質之間的化學鍵力作用而產生的吸附。陰離子聚合物可以靠化學鍵吸附在黏土礦物表面上,吸附的方式有以下兩種情況:
黏土礦物晶體邊緣帶正電荷,陰離子基團可以靠靜電引力吸附在黏土礦物的邊面上;
介質中有中性電解質存在時,無機陽離子可以在黏土礦物與陰離子型聚合物之間起“橋接”作用,使高聚物吸附在黏土礦物的表面上。
?。?)離子交換吸附
黏土礦物通常帶有不飽和電荷,根據電中性原理,必然有等量的異號離子吸附在黏土礦物表面上以達到電性平衡。這種吸附在黏土礦物表面上的離子可以和溶液中的同號離子產生交換作用,這種作用即為離子交換吸附。
最常見的交換陽離子有Ca2+、Mg2+、H+、K+、NH4+、Na+、Al3+及陰離子SO42-、Cl-、PO32-和NO3-等。
根據交換離子的電性不同,離子交換吸附又分為:陽離子交換吸附和陰離子交換吸附。
A:陽離子交換吸附
陽離子交換容量是指每100g黏土礦物在一定的pH值條件下能夠吸附交換的陽離子數量,它是黏土礦物負電荷數量的量度。通常是指在pH值為7的條件下,黏土礦物所能交換下來的陽離子總量。陽離子交換容量(CEC)的單位為mmol/100g,即每100g干樣品所交換下來的陽離子毫摩爾數。
黏土礦物負電荷主要由兩方面的原因引起:一是結構中的類質同象代替;二是邊緣和外表面的破鍵。前者與pH值無關,后者與pH值有關。黏土礦物一般都帶有凈負電荷。
黏土礦物的種類不同,其陽離子交換容量也有很大差別。對于蒙脫石、伊利石、蛭石等礦物陽離子交換容量的80%以上是分布在層面上(其負電荷主要是源于邊緣羥基鍵的水解)。
黏土礦物的陽離子交換容量及吸附的陽離子種類對黏土礦物的膠體活性影響很大。如蒙脫石的陽離子交換容量很大,膨脹性也大,在低濃度下就可以形成稠的懸浮體,尤其是鈉蒙脫石,水的膨脹性更強;而高嶺石的陽離子交換容量低,其惰性就強。
影響黏土礦物陽離子交換容量大小的因素主要有三個方面:
一是黏土礦物類型。
二是黏土礦物的顆粒分散度,同種黏土礦物的陽離子交換容量隨其分散度(比表面積)的增加而增大。
三是溶液的酸堿性,一般溶液為堿性時陽離子交換容量大,這是因為鋁氧八面體中的Al-OH鍵是兩性的,在酸性環境中,氫氧根易電離,結果使黏土礦物表面帶正電荷;在堿性條件下,氫易電離,從而使黏土礦物表面帶負電荷,此外,溶液中的氫氧根增多,它可以靠氫鍵吸附在黏土礦物的表面上,使表面負電荷增多。
陽離子交換吸附有如下特點:
一是等電量交換,即由黏土礦物表面交換出來的陽離子與被黏土礦物吸附的陽離子的電量是相等的。
二是陽離子交換吸附是可逆的,吸附和解吸受離子濃度的影響。如在鉆井中,鈉蒙脫石泥漿遇到鈣時,Ca2+便與Na+產生交換形成鈣蒙脫石,并使泥漿性能變壞。這時可加入純堿,即增加泥漿中的Na+,同時,Ca2+與C碳一作用生成碳酸鈣
沉淀,大大降低了Caz+的濃度,此時,Na+又可將CO32-交換回來,從而改善泥漿性能。
陽離子交換吸附的規律是:一般情況下,離子濃度相差不大時,離子的電價越高,與黏土礦物表面的吸附力越強;反之,如果已經吸附到黏土礦物表面上,則價數越高的離子,越難從黏土礦物表面上被交換下來。而價數相同的離子在溶液中的濃度相近時,離子半徑小的,水化半徑大的,吸附力弱;反之,離子半徑大的,水化半徑小的,吸附力強。離子濃度對吸附的影響符合質量作用定律,即離子交換是受每一相中的不同離子的相對濃度制約的。
B:陰離子交換吸附
陰離子吸附能力的大小用陰離子交換容量來表示。定義為每100g黏土礦物所能吸附的陰離子數量,單位為mmol/100g。陰離子交換容量可以看成是黏土礦物表面正電荷的量度。
陰離子交換吸附也具有等電量交換的特點,其規律主要有:
與表面羥基結合的Al3+、Fe3+等將吸附陰離子;
陰離子吸附受溶液的pH值影響,低pH值時有最大的吸附量;
陰離子吸附性的大小順序為PO43->AsO43->SeO42->MO42->SiO42-=F->Cl->NO3-;
其他陰離子存在時,將引起吸附位置的競爭,有時像Ca2+、Al3+這樣的一些陽離子存在可以導致不溶物形成。
常見的黏土礦物如蛭石、伊利石、綠泥石、高嶺石和蒙脫石等陰離子交換容量為4mmol/100g、4-17mmo1/100g、5-20mmol/100g、7-20mmol/100g和20-30mmol/100g。
2、黏土礦物吸附性表征方式
吸藍量和脫色力可表征黏土礦物吸附性的大小,它們是黏土礦物性質的重要技術指標。
吸藍量是指每100g黏土礦物所能吸附甲基藍的量(以mmol表示)。
脫色力T是指相同條件下,黏土礦物試樣與標樣的脫色效果相同時,標樣用量W1與試樣用量W2之比與標樣脫色力T標的乘積。即:
T=T標(W1/W2)
來源:黃萬撫.礦物材料及其加工工藝[M].冶金工業出版社,2012.
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