Дисперсные системы и промывочные жидкости - Емкость обмена и электрический заряд

Емкость обмена и электрический заряд

 

Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы. Меж­ду глиной и раствором происходит обмен катионов. При этом скорость обмена почти мгновенна.

Каждая глина обладает определенным количеством обмен­ных ионов, т. е. вполне определенной обменной емкостью (или емкостью обмена). Обменная емкость выражается количеством молей обменных катионов, содержащихся в 1 кг сухой глины. Для наиболее распространенных глинистых минералов обмен­ная емкость составляет: у монтмориллонита 0,8—1,5, гидро­слюд — 0,1—0,4,  палыгорскита   0,2—0,3,   каолинита   0,03—0,15.

В глинистых минералах обменными катионами являются: Са2+, Mg2+, K+, Na+, H+, NH42+. В природных глинах основные обменные катионы — натрий или кальций, и глина получает название соответственно натриевой или кальциевой. Чистые натриевые или кальциевые глины в природе практически не су­ществуют. Обычно глины смешанные, но влияние одного из ка­тионов преобладает. По этому преобладающему влиянию глины относят к тому или иному типу. Тип глины во многом опреде­ляет свойства глинистого раствора при взаимодействии с веще­ствами, содержащимися в дисперсионной среде. Возможно ис­кусственное превращение натриевых глин в кальциевые и об­ратно.

При добавлении в дисперсионную среду глинистого раствора растворимых солей кальция, например хлористого кальция, по­следний диссоциирует с образованием двух однозарядных анио­нов хлора и одного двухзарядного катиона кальция. Катионы кальция притягиваются к натриевой глине значительно сильнее, чем однозарядные катионы натрия. Происходит обмен катио­нами. Глина становится кальциевой, а в растворе образуется хлористый натрий.

Процесс замещения кальция натрием в глине происходит сложнее. Для этого нужно брать соль натрия, с анионом кото­рой кальций образует нерастворимое соединение. Ионы кальция связываются, и их место занимает натрий. Чаще такой перевод кальциевой глины в натриевую осуществляют с помощью каль­цинированной соды.

Частицы глины при замачивании в воде приобретают отри­цательный электрический заряд, который обусловливает элект­рокинетические явления, происходящие на поверхности глини­стых частиц.

 

Гидрофильность и набухание глин

 

Все глины в той или иной мере гидрофильны. Характер гидрофильности зависит от их типа и состава и во многом опреде­ляет качество глинистого раствора.

При замачивании глины водой молекулы воды окружают по­верхность кристаллов глинистых минералов, проникают между кристаллами в пачках и раздвигают их. При этом глина набу­хает. Набухание — предпосылка пептизации глинистых минера­лов при приготовлении растворов. Оно протекает в два этапа: первый — всасывание воды, второй — развитие набухания. На­бухание оценивается в см3/г, измеряется на порошках глин с размером частиц 0,25 мм и менее.

Всасывание — капиллярный процесс. Для глин среднего ка­чества всасывание длится 20—30 с, для весьма гидрофильных глин — больше. Процесс набухания зависит от типа глины: у минералов с неподвижной кристаллической решеткой набуха­ние идет в основном за счет проникновения    воды в межкристаллическое пространство, у монтмориллонита преимущест­венное значение имеет проник­новение воды в межпакетные промежутки. Поэтому набуха­ние у малогидрофильных глин, например у каолина, фактиче­ски заканчивается через 30— 40 с. У бентонитовых глин на­бухание растягивается на 2— 4 недели, причем увеличение объема может быть 20-крат­ным.

clip_image138clip_image140

 

 

 

При избытке воды набуха­ние сопровождается разруше­нием глины. Диполи воды своими отрицательно заряжен­ными концами притягиваются к положительным ионам ме­таллов или водорода. Чем меньше заряд и больше раз­мер ионов, тем быстрее или легче они отрываются диполями воды от поверхности элемен­тарных кристаллов. Связь между листочками в пачках нару­шается, и глина «распускается» в воде.

На набухании глин отрицательно сказываются снижение рН и солевая агрессия. Так, максимум набухания у бентонитовой глины аскангель в пресной воде 17,7 раза, а в соленой в 10 раз меньше. Лишь палыгорскит одинаково хорошо набухает в прес­ной и соленой воде. Поэтому промывочные жидкости из палыгорскитовых глин солеустойчивы. Изотермы набухания некото­рых глин в дистиллированной и соленой воде приведены на рис. 35.

Следует иметь в виду, что время протекания процессов вса­сывания и набухания при приготовлении глинистых растворов различно (влияет перемешивание, размеры комков глины и ее исходная влажность, состав воды и др.), но характер их проте­кания сохраняется. Это при прочих равных условиях определя­ет время приготовления раствора из каждого типа глины. Чем выше качество глины, тем дольше идет приготовление глини­стого раствора.

Процессы, происходящие при набухании глин, во многом объясняют поведение стенок скважины, сложенных глинистыми породами, при контакте с промывочной жидкостью.