膨润土在水溶液中的膨胀性能研究

2011/10/9 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院 作者：孔维安 郑水林 白春华 豆中磊

摘 要研究了 6 种膨润土在蒸馏水、单一离子水溶液和复合离子水溶液中的膨胀体积，探讨了离子浓度对膨润土膨胀体积的影响。结果表明，单一离子水溶液浓度达到5g/L，复合离子水溶液浓度达到2g/L 时，膨润土膨胀体积会显著减小；复合离子溶液对膨润土膨胀性能的影响最为显著。

关键词 膨润土膨胀体积 水溶液 浓度

膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的层状铝硅酸盐矿物[1]。其晶胞结构为每两层硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片，晶层间有离子交换能力[2]。膨润土系Si-Al-Si 结构水化时，水分子沿着Si-Al-Si 结构单元的表面被吸附起来，使相邻接结构单元之间的距离加大。膨润土水化后表面阳离子呈水合状态，吸收2 个、4 个或6 个水分子后达到饱和，变成凝胶，吸水性能主要与交换性阳离子的性质有关[3~9]。

水溶液中的膨胀性能是膨润土的主要物理特性之一。膨润土的黏结特性、保水特性、流变特性等应用特性均与其膨胀性能有关。膨润土防水毯是一种新型防水（渗）材料，但在实际应用中，膨润土防水毯的防渗性能受到水质，特别是水中离子浓度的影响，但目前很少见到水溶液离子浓度和种类对其膨胀性能的系统研究。本实验采集了6 种膨润土样品，系统研究了这些膨润土样品在蒸馏水、单一离子水溶液和复合离子水溶液中的膨胀性能及其变化规律。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料实验所用膨润土由内蒙古水利科学研究院提供，其基本性质见表1 和表2。所用溶液由实验室配得。

1.2 实验方法

1.2.1 膨润土在蒸馏水中的膨胀：分别称取2g 已在105℃±3℃烘干2h 的6 个膨润土样品，将每个样品分多次加入已有90mL 蒸馏水的100mL 量筒内。每次加入量不超过0.1g，缓慢加入，待前次加入的膨润土完全沉至量筒底部后再次添加，相邻两次加入的时间间隔不少于10min，直至膨润土完全加入到量筒中。全部添加完毕后，用蒸馏水仔细冲洗粘附在量筒内侧的粉粒使其落入水中，最后将量筒内的水位增加到100mL 的标线处。如量筒底部沉淀物中有夹杂的空气或水的分隔层，将量筒45 度角倾斜并缓慢旋转，直至沉淀物均匀。晃动量筒使膨润土与蒸馏水的分界面水平。

1.2.2 膨润土在单一离子水溶液中的膨胀：①分别配制浓度为0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L 和5.0g/L 的NaCl 溶液各1L，对于每个浓度的NaCl 溶液，在6 个100mL 量筒中分别加入90mL 的该溶液，分别加入6个膨润土样品各2g。实验过程同1.2.1。②分别配制浓度为0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L和5.0g/L 的MgCl2 溶液各1L，对于每个浓度的MgCl2溶液，在6 个100mL 量筒中分别加入90mL的该溶液，分别加入6 个膨润土样品各2g。实验过程同1.2.1。③分别配制浓度为0.5g/L、1.0g/L、2.0g/L、3.0g/L和5.0g/L 的CaCl2 溶液各1L，对于每个浓度的CaCl2溶液，在6 个100mL 量筒中分别加入90mL的该溶液，分别加入6 个膨润土样品各2g。实验过程同1.2.1。1.2.3 膨润土在复合离子水溶液中的膨胀：该复合离子水溶液为NaCl、MgCl2 和CaCl2 的混合溶液，其中钠镁钙元素的质量比为16∶5∶12。

配制NaCl、MgCl2 和CaCl2 的复合离子水溶液，浓度分别为0.165g/L、0.21g/L、0.5g/L、0.8g/L、1.0g/L、1.5g/L、2.0g/L。其中0.165g/L 为黄河水中钠镁钙总的年平均离子浓度，0.21g/L 为黄河水中钠镁钙总的年最高离子浓度。对于每个浓度的复合离子水溶液，在6 个100mL 量筒中分别加入90mL 的该溶液，分别加入6 个样品各2g。实验操作过程同1.2.1。

2 结果与讨论

2.1 时间对膨润土膨胀体积的影响在 20d 的观测期内，各膨润土的膨胀体积几乎没有变化，说明时间对膨润土在蒸馏水和各溶液中的膨胀基本没有影响。

2.2 不同浓度的NaCl 水溶液对膨润土膨胀性的影响由图 1 可知，随着NaCl 水溶液浓度的增大，所有膨润土样品的膨胀体积都在减小。第5 天时，NaCl水溶液浓度由0 增大到5g/L，使1# 膨润土的膨胀体积减小12.5%，2# 膨润土的膨胀体积减小44.64%，3#膨润土的膨胀体积减小25%，4# 膨润土的膨胀体积减小38.09%，5# 膨润土的膨胀体积减小44.28%，6#膨润土的膨胀体积减小35.71%。因此，在NaCl 溶液中，2#、5# 的膨胀体积受浓度影响最大，1# 膨润土受影响最小。

2.3 不同浓度的MgCl2 水溶液对膨润土膨胀性的影响由图 2 可知，随着MgCl2 水溶液浓度的增大，每个膨润土样品的膨胀体积都在减小。第5 天时，MgCl2 水溶液浓度由0 增大到5.0g/L，使1# 膨润土的膨胀体积减小69.64%，2# 膨润土的膨胀体积减小75%，3# 膨润土的膨胀体积减小71.15%，4# 膨润土的膨胀体积减小76.19%，5# 膨润土的膨胀体积减小77.14%，6# 膨润土的膨胀体积减小71.43%。因此，在MgCl2 溶液中，5#、4# 的膨胀体积受浓度影响最大，1#膨润土受影响最小。

2.4 不同浓度的CaCl2 水溶液对膨润土膨胀性的影响由图 3 可知，随着CaCl2 水溶液浓度的增大，每个膨润土样品的膨胀体积都在减小。第5 天时，CaCl2水溶液浓度由0 增大到5.0g/L，使1# 膨润土的膨胀体积减小62.5%，2# 膨润土的膨胀体积减小75%，3#膨润土的膨胀体积减小61.54%，4# 膨润土的膨胀体积减小66.67%，5# 膨润土的膨胀体积减小77.71%，6#膨润土的膨胀体积减小69.64%。因此，在CaCl2 溶液中，5#、2# 的膨胀体积受浓度影响最大，3# 膨润土受影响最小。

2.5 不同浓度的复合离子水溶液对膨润土膨胀性的影响由图 4 可见，随着复合离子水溶液浓度的增大，各膨润土样品的膨胀体积都在减小。第5 天时，复合离子水溶液浓度由0 增大到2.0g/L，使1# 膨润土的膨胀体积减小65.00%，2# 膨润土的膨胀体积减小75.00%，3# 膨润土的膨胀体积减小65.38%，4# 膨润土的膨胀体积减小71.43%，5# 膨润土的膨胀体积减小77.14%，6# 膨润土膨胀体积减小71.43%。因此，在复合离子溶液中，5#、2# 的膨胀体积受浓度影响最大，1# 膨润土受影响最小。

3 结论

1. 在蒸馏水和和各离子溶液中，6 种膨润土都能迅速膨胀，膨胀体积基本保持不变，稳定性很好。

2. 溶液离子浓度对膨润土的膨胀体积影响很大，单一离子水溶液浓度达到5g/L，复合离子水溶液浓度达到2g/L 时，膨润土的膨胀体积显著减小。

3. 浓度相同时，复合离子水溶液中的膨润土膨胀体积要比单一离子水溶液中的小，说明复合离子水溶液对膨润土膨胀性能的影响最显著。