无机材料科学基础-4-4-粘土

第四节粘土—水系统胶体化学

黏土的电荷性黏土的离子吸附与交替黏土胶体的电动性质粘土-水系统的胶体性质瘠性料的悬浮与塑化一、粘土的荷电性

1、负电荷产生的原因：主要是由于粘土晶格内离子的同晶置换、吸附在粘土表面的腐殖质离解而产生的。

2、两性电荷

3、净电荷粘土的正电荷和负电荷的代数和是粘土的净电荷。粘土一般是带有负电荷的。高岭石边面上的电荷二、粘土的离子吸附与交换

1、定义：

2、粘土的离子吸附与交换的特点：（1）同号离子相互交换；（2）离子以等当量交换；（3）交换和吸附是可逆过程，离子交换并不影响粘土本身的结构。如：Na

粘土+Ca2+=Ca-粘土+2Na+Na

注意：交换和吸附是两个不同的概念3、在生产中的应用：利用粘土的阳离子交换性质可以提纯粘土及制备单一离子的粘土。

X-树脂+Y-粘土=Y-树脂+X-粘土4、粘土的阳离子交换容量用100克干粘土所吸附离子的毫克当量数来表示。它代表粘土在一定pH条件下的净负电荷数。

5、影响粘土的阳离子交换容量矿物组成、粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的PH值、离子的浓度等根据离子价效应和离子水化半径，可将粘土的阳离子交换顺序排列如下：

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

三、粘土胶体的电动性质

1、粘土与水的作用

粘土与水的作用由以下几个原因造成的：（1）粘土晶粒表面上的氧与氢氧基可以与靠近表面的水分子通过氢键而键合；（2）粘土表面负电荷在粘土表面附近存在一个静电场，使极性水分子定向排列；（3）粘土表面吸附着水化阳离子。

水在粘土周围随着距离增大结合力的减弱而分成牢固结合水、疏松结合水和自由水。粘土与这三种水结合的状态与数量将会影响粘土-水系统的工艺性能。影响粘土结合水量的因素有粘土矿物组成、粘土分散度、粘土吸附阳离子种类等。粘土与水结合情况示意图

（1）粘土的结合水量一般与粘土阳离子交换容量成正比；

（2）高岭石的结合水量随粒度减小而增高。

（3）粘土与一价阳离子结合水量>与二价阳离子结合的水量>与三价阳离子结合的水量；同价离子与粘土结合水量是随着离子半径增大，结合水量减少。被粘土吸附的Na和Ca的水化值粘土吸附容量

CaNa结合水量（克/百克土）每个阳离子水化分子数Na与Ca的水化比值Na-粘土Ca-粘土

23.7

18.07524.517576.22.32、粘土胶体的电动电位

（1）电动性质：在电场或其他力场作用下，固体颗粒或液相相对另一相作相对位移时所表现出来的电学性质。

（2）扩散双电层的形成

a、吸附层：在外电场作用下，被粘土质点牢固吸附的水化阳离子层。这一层随粘土质点一起向正极移动

b、扩散层：吸附层以外的、定向程度较差的水化阳离子区域这一层不随粘土质点移动，而向负极移动。c、电动电位：吸附层与扩散层相对移动时两者之间的电位差（-电位）d、热力学电位：粘土质点的表面与扩散层之间的总电位差等电状态：—电位等于零的状态粘土的电动电位电动电位的公式：粘土吸附了不同的阳离子后对电动电位的影响不同的阳离子所饱和的粘土的电动电位离子半径（3）影响电动电位的因素：阳离子的电价、阳离子的浓度、粘土的矿物组成、电解质阴离子的作用、粘土胶粒形状和大小、表面光滑程度等。

（A）吸附阳离子对-电位的影响（B）电解质的浓度对-电位的影响

（C）粘土内有机质对-电位的影响

（C）粘土内有机质对-电位的影响如果粘土内有机质含量增加，导致粘土-电位升高。

（4）粘土胶团结构胶核+吸附层+扩散层胶核：粘土质点本身，胶核是带负电的胶粒：胶核+吸附层胶团：胶粒+扩散层粘土的胶团结构如下图所示。

3、吸附与交换的区别

离子吸附和离子交换是一个反应中同时进行的两个不同过程。离子吸附：是粘土胶体与离子之间的相互作用离子交换：是离子之间的相互作用应用：提纯粘土和制备单一离子的粘土

4、阳离子交换容量

阳离子交换容量：为PH＝7时100g干粘土所吸附的离子的毫克当量数。影响因素：1）粘土矿物组成：与同晶置换多少有关蒙脱石>伊利石>高岭石2）粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的PH值、离子浓度等

常见粘土的阳离子交换容量矿物高岭石多水高岭石伊利石蒙脱石蛭石阳离子交换容量（100g土）/mmol3～1520～4010～4075～150100～1505、阳离子交换顺序与粘土与离子间的作用力有关电价因素离子大小

※※粘土阳离子交换顺序：H＋>Al3＋>Ba2＋>Sr2＋>Ca2＋>NH4＋>K＋>Na＋>Li＋（二）泥浆的流动性与稳定性

1、泥浆粘度与结构的关系1）平行结构（面－面分散）2）卡片结构（边－面分散）3）棚架结构（边－边分散）

2、泥浆的稀释与增稠胶溶（稀释）：泥浆粘度显著降低，粘土在水中充分分散。

絮凝（增稠）：泥浆中粘土颗粒相互聚集，粘度升高。泥浆胶溶的条件：1）介质呈碱性；2）必须有R＋交换粘土原来吸附离子；3）阴离子的作用：形成络合物、聚合阴离子。（三）泥浆的触变性与膨胀性

1、触变性（1）含义：P135

（2）特征：假塑性流动（3）产生原因：“卡片结构”的形成与解体（4）影响因素：粘土含水量、粘土矿物组成、粘土胶粒的大小与形状、电解质种类和数量、温度的影响

2、膨胀性系统搅拌时变稠（粘度升高），停止搅拌恢复流动性

膨胀流动（四）粘土的可塑性1、定义：当粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪切应力作用后，可以塑造成任何形状，当去除应力泥团能保持其形状，这种性质称为可塑性。

2、产生原因：（1）吸力：范德华力、局部边－面静电引力、毛细管力，作用范围2nm。（2）斥力：静电斥力（粘土颗粒间的ζ-电位），作用范围20nm。粘土颗粒间作用力吸力和斥力平衡3、影响因素：（1）含水量的影响：（2）电解质的影响：吸附阳离子的种类（3）粘土矿物组成的影响：（4）颗粒大小和形状的影响