第二章粘土矿物和粘.ppt

粘土—水界面双电层 四．影响粘土的阳离子交换容量因素 1. 粘土的本性 粘土的矿物组成、晶体构造不同，阳离子交换容量有很大的差异。因为引起粘土阳离子交换吸附的电荷中（晶格取代、氢氧根中氢的电离），以晶格取代所占的比重较大，由此可以推断，晶格取代愈多的粘土矿物，它的交换容量也愈大。 粘土—水界面双电层 2. 粘土颗粒分散度的影响 当粘土的矿物组成相同时，其阳离子交换容量随分散度（或比面积）的增大而变大。特别是高岭土，其阳离子交换主要是由于裸露的氢氧根中的氢的解离产生电荷，因而颗粒愈小，露在外面的氢氧根愈多，交换容量显著增加（见表2-6）蒙脱石的阳离子交换主要是由于晶格取代所产生的电荷，由于裸露的氢氧根中氢的解离产生的负电荷所占比例很小，因而受分散度的影响较小。 四．影响粘土的阳离子交换容量因素 9.5 5.4 3.9 3.8 3.6 2.6 2.4 cmc 0.1-0.05 0.25-0.1 0.5-0.25 1-0.5 4-2 10-5 40-20 颗粒大小um 粘土—水界面双电层 3. 溶液pH的影响 在粘土矿物和其分散度相同的情况下，在碱性环境中，阳离子交换容量变大（见表2-7）。 四．影响粘土的阳离子交换容量因素 cmc 矿物名 100 95 蒙脱石 10 4 高岭石 PH〉7 PH=2.5-6 铝氧八面体中Al-O-H键是两性的，在强酸性环境中OH易电离，土表面可带正电荷；在碱性环境中H易电离，使土表面的负电荷增多，从而增加粘土的阳离子交换容量。 粘土—水界面双电层 五．胶团结构 溶胶粒子大小在1nm-lμm之间，每个溶胶粒子是由许多分子或原子聚集而成的。 以AgI胶团形成为例： AgI的胶团结构 粘土胶体化学基础 钠 蒙 脱 石 胶 团 式 粘土水胶体分散体 系的稳定性与聚结 胶体的稳定性概念：即动力(沉降)稳定性和聚结稳定性。 在重力作用下分散相粒子是否容易下沉的性质。一般用分散相下沉速度的快慢来衡量动力稳定性的好坏。 例如，在一个玻璃容器中注满钻井液、静止24h后，分别测定上部与下部的钻井液密度,其差值愈小，则动力稳定性愈强，说明粒子沉降速度很慢。 动力稳定性： 粘土的水化作用 粘土矿物的水分：结晶水、吸附水、自由水、 结晶水：为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之 间以化学键相连，温度较高（300℃） 才能释放出来。 吸附水：与粘土矿物之间的作用力为分子间以 及静电引力，即水化膜形式存在，也 叫束缚水。 自由水：存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不 受粘土约束，可以自由运动 粘土的水化作用 粘土水化膨胀作用的机理： 各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的钻土矿物水化膨胀的程度不同而已。粘土水化膨胀受三种力制约，表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。 表面水化：表面水化是由钻土晶体表面(膨胀性粘土表面包括外表面和内表面)吸附水分子与交换性阳离子水化而引起的。右图为粘土表面水化示意图。 粘土的水化作用 渗透水化： 由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液 内部的浓度，因此，水发生浓差扩 散，进入层间，由此增加晶层间距， 从而形成扩散双电层。渗透膨胀引起 的体积增加比晶格膨胀大得多。 粘土的水化作用 渗透性水化产生原因：根据杜南(Donnan)的平衡理论，当一个容器中有一个半透膜，膜的一边为胶体溶液，另一边为电解质溶液时，如果电解质的离子能够自由地透过此膜，而胶粒不能透过，则在达到平衡后，离子在膜的两边的分布将是不均等的。 膜两边称做两个“相”，含胶体的一边称为“内相”，仅含自由溶液的一边称为“外相”。在这种情况下，胶粒不能透过此膜的原因是由于孔径较小的半透膜对粒径较大的胶粒的机械阻力。后来发现，形成杜南体系并不一定需要一个半透膜的存在，只要能够设法使胶体相与自由溶液相分开即可。当粘土表面吸附的阳离子浓度高于介质中浓度时，便产生渗透压，从而引起水分向按土晶层间扩散。水的这种扩散程度受电解质的浓度差的控制，这就是渗透水化膨胀的机理。 早在1931年，这一理论就应用于钻井液，使用溶解性盆以降低钻井液和坍塌页岩中液体之间的渗透压，后来进一步发展了饱和盐水钻井液、氮化钙钻井液等。 粘土的水化作用 不同的交换性阳离子引起水化程度不同的原因是： 粘土单元晶层间存在着两种力，一种是层间阳离子水化产生的膨胀力和带负电荷的品层之间的斥力；另一种是粘土单元晶层一层问阳离子一粘土单元晶层之间的静电引力