專利名稱：一種由鈣基膨潤土制備膨潤土無機(jī)凝膠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非金屬膨潤土原礦深加工技術(shù)，特別指由天然鈣基膨潤土制備膨 潤土無機(jī)凝膠的方法。
背景技術(shù)：
膨潤土有較好的膨脹性、粘接性、吸附性、觸變性、可塑性、潤滑性和陽離子交換性 等性能，是目前應(yīng)用范圍較廣、經(jīng)濟(jì)價值較高的粘土礦物之一，已被廣泛地應(yīng)用于冶金、機(jī) 械、石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)境治理等領(lǐng)域，被稱為“具有千種用途的粘土”。根據(jù)蒙脫石層間吸 附的陽離子種類的不同可將膨潤土分為鈣基膨潤土、鈉基膨潤土、氫(鋁)基膨潤土、鎂基 膨潤土等。我國膨潤土礦產(chǎn)資源豐富，分布廣泛，總儲量居世界前列，但90%為鈣基膨潤土。 由于鈣基膨潤土存在吸水率小、膨脹倍數(shù)低、陽離子交換容量小、潤滑性差、熱穩(wěn)定性差等 先天缺陷，很少直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。因此在實(shí)際應(yīng)用中通常需要將其加工成如顆粒膨 潤土、鈉基膨潤土、有機(jī)膨潤土、活性白土、膨潤土凝膠等膨潤土深加工產(chǎn)品，才可廣泛用于 石油化工、油脂、醫(yī)藥、建筑、日化、紡織、涂料、冶金、環(huán)保等各領(lǐng)域中。膨潤土無機(jī)凝膠是以膨潤土為原料經(jīng)深加工而制備得到的礦物凝膠，該凝膠具有 優(yōu)異的膠體性能、流變性、離子交換性、耐酸堿性、吸附性等，在環(huán)保、建材、日用化工、造紙、 鑄造、制藥等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用；尤其是高純度、高白度膨潤土無機(jī)凝膠在醫(yī)藥、食品、化 妝品等行業(yè)有極大的應(yīng)用價值。制備膨潤土凝膠是提高膨潤土應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)價值的有效 途徑。膨潤土是含蒙脫石類礦物為主的粘土，每一個膨潤土粒子都由數(shù)以千計(jì)的微小蒙 脫石晶體納米薄片組成。蒙脫石晶體由兩層硅氧四面體中間夾一層鋁(鎂)氧(氫氧)八 面體組成。由于蒙脫石晶體四面體中有少量的硅被鋁置換，八面體中有少量的鋁被鎂置換， 使晶體層間產(chǎn)生永久性負(fù)電荷，因而在晶層間吸附大量可交換的陽離子，當(dāng)?shù)V物無機(jī)凝膠 和水混合的時候，后者透過小片之間的區(qū)域，與這些締合在蒙脫石片層表面上的、處于電荷 平衡狀態(tài)的無機(jī)陽離子進(jìn)行水合作用。水合作用的逐步深入迫使蒙脫石片層進(jìn)一步分離， 可交換性陽離子便從蒙脫石片層的表面逐步擴(kuò)散開來，直到蒙脫石片層完全地分離，從而 使蒙脫石形成穩(wěn)定的雙電層結(jié)構(gòu)。由于蒙脫石晶體納米薄片棱邊在一定條件下帶部分正電 荷，此時小片棱邊就被吸引到帶負(fù)電荷的小片表面那里，迅速建立起三維空間結(jié)構(gòu)(通常 稱為“卡房式”結(jié)構(gòu))，體系的粘度很快增大。當(dāng)施加一個切變力的時候，這一結(jié)構(gòu)中的大部 分會迅速瓦解，而當(dāng)切變力去除的時候，這一結(jié)構(gòu)又重新形成，因而膨潤土凝膠的分散液具 有極好的觸變性。中國專利CN1363515A公開了一種天然硅酸鎂鋁凝膠的制備方法。該發(fā)明主要步 驟中包括濕法制漿、降粘劑分散、動態(tài)離心分離提純、一價金屬離子預(yù)激活處理、Na+改性、 后處理等。該發(fā)明雖然能很好地實(shí)現(xiàn)由天然蒙皂石制備硅酸鎂鋁無機(jī)凝膠，但該工藝繁瑣 且能耗太高，而且所得產(chǎn)品的粘度相對較低(100-500毫帕 秒)，不能夠很好滿足醫(yī)藥、食 品等領(lǐng)域的特殊要求。
中國專利CN1257103C對上述專利的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，增加了強(qiáng)磁選機(jī)除鐵以及醇類制劑洗滌兩道步驟，提高了產(chǎn)品的白度及純度。但該工藝仍然存在工藝較為繁瑣、生產(chǎn) 成本較高等缺點(diǎn)。中國專利CN1286719C對上述專利進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，在生產(chǎn)過程中增加了對礦 漿進(jìn)行超聲波處理步驟，使礦物在水中進(jìn)一步剝離、分散，提高了膠體產(chǎn)出率、細(xì)度、純度、 白度等物化性能(經(jīng)一次超聲處理后粘度值為983毫帕·秒，二次超聲處理后粘度值為 1382毫帕 秒，且凝膠純度均達(dá)到99% )，但是大量的超聲波處理在工業(yè)化生產(chǎn)中勢必對生 產(chǎn)工藝和生產(chǎn)成本帶來不利影響。就膨潤土無機(jī)凝膠而言，凝膠的純度、白度與粘度主要取決于膨潤土的純度以及 凝膠制備過程中蒙脫石晶體片層的剝離效果。如果膨潤土中混有太多其它水中離解性差 的雜質(zhì)，則其必然會嚴(yán)重影響膨潤土凝膠空間“卡房式”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時雜質(zhì)的存在也 會影響膨潤土凝膠的白度。蒙脫石晶體片層的剝離效果與片層水合時介入的能量有關(guān)，由 于機(jī)械能和熱能均能促進(jìn)水合的進(jìn)行，因此使用高剪切混合或者加熱反應(yīng)都將減少水合時 間，形成更為穩(wěn)定的“卡房式”結(jié)構(gòu)膨潤土無機(jī)凝膠，從而獲得更高的粘度以及更優(yōu)良的觸 變性。因此高質(zhì)量的膨潤土無機(jī)凝膠的制備需要控制兩個關(guān)鍵點(diǎn)一是膨潤土中蒙脫石含 量足夠高以保證膨潤土凝膠“卡房式”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是合適的改型劑和改型方法以促進(jìn) 凝膠的形成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種由鈣基膨潤土制備膨潤土無機(jī)凝膠的方法， 這種制備方法由制漿、提純改型、膠化等工序組成。以鈣基膨潤土原礦為起點(diǎn)，使用濕法提 純改型同步工藝對鈣基膨潤土進(jìn)行鈉化改型，保證膨潤土的純度及白度，結(jié)合合適的膠化 方法保證凝膠的粘度，進(jìn)而制備出高純度、高白度、高粘度膨潤土無機(jī)凝膠。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題由如下方案來實(shí)現(xiàn)將經(jīng)粗碎至粒徑小于Icm的鈣基膨 潤土原礦加水配制成固含量為10% 30%的漿液，浸泡崩解后攪拌混勻，加入膨潤土質(zhì)量 0. 2% 1. 0%的分散劑，攪拌溶解，分散劑為六偏磷酸鈉或焦磷酸鈉中的一種或兩種，優(yōu)選 為六偏磷酸鈉，加入膨潤土質(zhì)量3 8%的改型劑的飽和水溶液，攪拌使之充分混合，陳化 18-24小時，改型劑可以為氫氧化鈉、氟化鈉、碳酸鈉、六偏磷酸鈉或焦磷酸鈉，優(yōu)選為碳酸 鈉，去除下層大顆粒雜質(zhì)后，將體系加熱到70 90°C，在此溫度下強(qiáng)烈攪拌并適時補(bǔ)水使 體系充分反應(yīng)1 2小時，靜置去除下層殘?jiān)?，在高速分散機(jī)中分散0. 5 1小時，加水 稀釋至原體積的3 4倍，靜置1 1. 5小時后，虹吸得到上層礦漿，棄去下層殘?jiān)?，離心分 離，棄去下層細(xì)渣，得到鈉基膨潤土精礦漿，控制固含量約4 5%，加入膨潤土質(zhì)量4% 20%的膠化劑，經(jīng)膠化后得到膨潤土無機(jī)凝膠，干燥、脫水后得到膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品，膠 化劑可以為氧化鈣或者氯化鈣中的一種，其中氧化鈣適合制備高粘度膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品 (粘度范圍500 3000毫帕 秒)，氯化鈣適合制備粘度相對較低的膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品 (粘度范圍100 500毫帕 秒)。膠化條件可以為加熱反應(yīng)(70 90°C下攪拌反應(yīng)1 2小時)或者高速勻質(zhì)分散(4000 20000轉(zhuǎn)/分鐘分散1 10分鐘)。以下是本發(fā)明的原理性說明膨潤土中蒙脫石晶體層間由于同晶置換產(chǎn)生永久性 負(fù)電荷，因而在晶層間吸附大量可交換的陽離子。本發(fā)明采用的工藝為濕法改型與濕法提純同時進(jìn)行，濕法加工時水介質(zhì)為蒙脫石層間膨脹與水化提供了空間與動力，可容易地通 過離子交換實(shí)現(xiàn)人工鈉化。由于鈉離子比鈣離子有更強(qiáng)的水合作用，因此鈉化反應(yīng)的進(jìn)行 提高了蒙脫石膨脹分散的能力。而且在添加的改型分散劑以及維持礦漿懸浮的攪拌力的作 用下，蒙脫石很容易被剝離到膠粒級，從而很容易與達(dá)不到膠粒級的雜質(zhì)礦物分離，故可得 到較理想的提純效果。向上述提純改型后的鈉基膨潤土礦漿中加入膠化劑平衡體系多余 的負(fù)電荷后，這些充分分散的蒙脫石晶體片層在靜電作用下端_面相接，形成獨(dú)特的“卡房 式”結(jié)構(gòu)。這種“卡房式”結(jié)構(gòu)中包含大量的束縛水，從而得到具有高粘度的膨潤土無機(jī)凝 膠。本發(fā)明以鈣基膨潤土原礦為起點(diǎn)，使用濕法提純改型同步的工藝對鈣基膨潤土進(jìn) 行鈉化改型，由于鈉化反應(yīng)的進(jìn)行可以提高蒙脫石的膨脹分散能力，而且在添加的分散劑 以及維持礦漿懸浮的攪拌力的作用下，蒙脫石很容易被剝離到膠粒級，從而很容易與達(dá)不 到膠粒級的雜質(zhì)礦物分離，因此可以保證提純改型后膨潤土的純度及白度。濕法提純改型 后的高純鈉基膨潤土漿液無需干燥，直接用于制備膨潤土無機(jī)凝膠，由于漿液蒙脫土片層 分散較好，因此制備的膨潤土無機(jī)凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，粘度較高。同時考慮到不同行業(yè)對膨潤土 無機(jī)凝膠粘度的要求不盡相同，本發(fā)明通過控制膠化劑的類型、用量及膠化方法來控制所 制得的膨潤土無機(jī)凝膠的粘度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.采用濕法對鈣基膨潤土進(jìn)行鈉化改型，采取提純和改型同時進(jìn)行的工藝，提純 操作貫穿整個流程，保證了提純改型后膨潤土具有較高的純度及白度，從而使得最終所制 得的膨潤土無機(jī)凝膠具有高純度、高白度的特點(diǎn)。2.濕法提純改型后的高純鈉基膨潤土漿液無需干燥，直接用于制備膨潤土無機(jī)凝 膠，省略了高耗能的脫水過程。由于上述鈉基膨潤土漿液蒙脫土片層分散較好，無需新加入 分散劑，保證了膠化過程容易形成膨潤土凝膠空間“卡房式”結(jié)構(gòu)，使凝膠性能更加優(yōu)異。3.所選膠化劑為氧化鈣以及氯化鈣，產(chǎn)品粘度可根據(jù)用戶要求調(diào)整。其中氧化鈣 適合制備高粘度膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品(粘度范圍500 3000毫帕 秒)，氯化鈣適合制備 粘度相對較低的膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品(粘度范圍100 500毫帕 秒)。4.膠化條件可供選擇，可以為加熱反應(yīng)(70 90°C下攪拌反應(yīng)1 2小時)，也可 高速勻質(zhì)分散(4000 20000轉(zhuǎn)/分鐘分散1 10分鐘)。5.工藝簡單易行，所需原料(Na2C03、(NaP03)6> CaO等)便宜易得，從而實(shí)現(xiàn)低能 耗、低成本制備優(yōu)質(zhì)膨潤土無機(jī)凝膠。


圖1本發(fā)明的工藝流程圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1(1)將經(jīng)粗碎至粒徑小于1cm的鈣基膨潤土原礦加水配制成固含量為20%的漿 液，浸泡崩解后攪拌混勻。(2)加入膨潤土質(zhì)量1.0%的分散劑六偏磷酸鈉(NaP03)6，然后 向體系中加入膨潤土質(zhì)量4%的改型劑碳酸鈉Na2C03的飽和水溶液，攪拌使之充分混合并陳化24小時。(3) 90°C下攪拌充分反應(yīng)1小時，靜置棄去下層殘?jiān)螅诟咚俜稚C(jī)中分散 0.5小時。(4)將體系稀釋至原體積至4倍，靜置1.5小時后，虹吸得到上層礦漿，棄去下層 殘?jiān)?。離心分離，棄去下層細(xì)渣，得到鈉基膨潤土精礦漿。(5)蒸發(fā)部分水份將鈉基膨潤土 精礦漿的固含量控制在5%，然后在鈉基膨潤土精礦漿中加入膠化劑氧化鈣CaO，加入量為 膨潤土質(zhì)量的8%，在90°C下反應(yīng)1. 5小時后得到膨潤土無機(jī)凝膠，干燥、脫水后得到膨潤 土無機(jī)凝膠產(chǎn)品，經(jīng)測定該膨潤土無機(jī)凝膠的粘度為1750毫帕·秒，白度為85。實(shí)施例2(1)將經(jīng)粗碎至粒徑小于Icm的鈣基膨潤土原礦加水配制成固含量為20%的漿 液，浸泡崩解后攪拌混勻。⑵加入膨潤土質(zhì)量0.8%的分散劑六偏磷酸鈉(NaPO3)6，然后向 體系中加入膨潤土質(zhì)量4%的改型劑碳酸鈉Na2CO3的飽和水溶液，攪拌使之充分混合并陳 化20小時。(3) 85°C下強(qiáng)烈攪拌充分反應(yīng)1小時，靜置棄去下層殘?jiān)?，在高速分散機(jī)中分 散0.5小時。(4)將體系稀釋至原體積至4倍，靜置1.5小時后，虹吸得到上層礦漿，棄去下 層殘?jiān)ｋx心分離，棄去下層細(xì)渣，得到鈉基膨潤土精礦漿。(5)蒸發(fā)部分水份將鈉基膨潤 土精礦漿的固含量控制在5%，然后在鈉基膨潤土精礦漿中加入膠化劑氧化鈣CaO，加入量 為膨潤土質(zhì)量的14%，在10000轉(zhuǎn)/分鐘下分散5分鐘得到膨潤土無機(jī)凝膠，干燥、脫水后 得到膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品，經(jīng)測定該膨潤土無機(jī)凝膠的粘度為1950毫帕·秒，白度為83。實(shí)施例3(1)將經(jīng)粗碎至粒徑小于Icm的鈣基膨潤土原礦加水配制成固含量為20%的漿 液，浸泡崩解后攪拌混勻。(2)加入膨潤土質(zhì)量1.0%的分散劑六偏磷酸鈉(NaPO3)6，然后 向體系中加入膨潤土質(zhì)量4%的改型劑碳酸鈉Na2CO3的飽和水溶液，攪拌使之充分混合并 陳化18小時。(3)90°C下強(qiáng)烈攪拌充分反應(yīng)1小時，靜置棄去下層殘?jiān)?，在高速分散機(jī)中 分散0.5小時。(4)將體系稀釋至原體積至4倍，靜置1.5小時后，虹吸得到上層礦漿，棄去 下層殘?jiān)ｋx心分離，棄去下層細(xì)渣，得到鈉基膨潤土精礦漿。(5)蒸發(fā)部分水份將鈉基膨 潤土精礦漿的固含量控制在5%，然后在鈉基膨潤土精礦漿中加入膠化劑氧化鈣CaO，加入 量為膨潤土質(zhì)量的12%，在6000轉(zhuǎn)/分鐘下分散5分鐘得到膨潤土無機(jī)凝膠，干燥、脫水后 得到膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品，經(jīng)測定該膨潤土無機(jī)凝膠的粘度為1650毫帕·秒，白度為83。實(shí)施例4(1)將經(jīng)粗碎至粒徑小于Icm的鈣基膨潤土原礦加水配制成固含量為20%的漿 液，浸泡崩解后攪拌混勻。(2)加入膨潤土質(zhì)量0.8%的分散劑六偏磷酸鈉(NaPO3)6，然后 向體系中加入膨潤土質(zhì)量4%的改型劑碳酸鈉Na2CO3的飽和水溶液，攪拌使之充分混合并 陳化24小時。(3)90°C下強(qiáng)烈攪拌充分反應(yīng)1小時，靜置棄去下層殘?jiān)?，在高速分散機(jī)中 分散0.5小時。(4)將體系稀釋至原體積至4倍，靜置1.5小時后，虹吸得到上層礦漿，棄去 下層殘?jiān)?。離心分離，棄去下層細(xì)渣，得到鈉基膨潤土精礦漿。(5)蒸發(fā)部分水將鈉基膨潤 土精礦漿的固含量控制在5%，然后在鈉基膨潤土精礦漿中加入膠化劑氯化鈣CaCl2，加入 量為膨潤土質(zhì)量的8%，在10000轉(zhuǎn)/分鐘下分散5分鐘得到膨潤土無機(jī)凝膠，干燥、脫水后 得到膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品，經(jīng)測定該膨潤土無機(jī)凝膠的粘度為230毫帕·秒，白度為88。實(shí)施例5(1)將經(jīng)粗碎至粒徑小于Icm的鈣基膨潤土原礦加水配制成固含量為20%的漿液，浸泡崩解后攪拌混勻。(2)加入膨潤土質(zhì)量1.0%的分散劑六偏磷酸鈉(NaPO3)6，然后向體系中加入膨潤土質(zhì)量4%的改型劑碳酸鈉Na2CO3的飽和水溶液，攪拌使之充分混合并 陳化24小時。(3) 90°C下強(qiáng)烈攪拌充分反應(yīng)1小時，靜置棄去下層殘?jiān)?，在高速分散機(jī)中 分散0.5小時。(4)將體系稀釋至原體積至4倍，靜置1.5小時后，虹吸得到上層礦漿，棄去 下層殘?jiān)?。離心分離，棄去下層細(xì)渣，得到鈉基膨潤土精礦漿。(5)蒸發(fā)部分水份將鈉基膨 潤土精礦漿 的固含量控制在5%，然后在鈉基膨潤土精礦漿中加入膠化劑氯化鈣CaCl2，加 入量為膨潤土質(zhì)量的10%，在90°C下反應(yīng)1小時后得到膨潤土無機(jī)凝膠，干燥、脫水后得到 膨潤土無機(jī)凝膠產(chǎn)品，經(jīng)測定該膨潤土無機(jī)凝膠的粘度為150毫帕·秒，白度為85。
權(quán)利要求
一種膨潤土無機(jī)凝膠的制備方法，其過程包括制漿、改型提純、改性、膠化等工序，其特征在于將鈣基膨潤土的鈉化改型提純與膨潤土無機(jī)凝膠分散、膠化過程有機(jī)結(jié)合。濕法提純改型后的高純鈉基膨潤土漿液無需干燥，直接用于制備膨潤土無機(jī)凝膠，該過程一方面降低了脫水能耗，另一方面由于上述鈉基膨潤土漿液蒙脫土純度高、片層分散性好，無需新加入分散劑，保證了膠化過程容易形成膨潤土凝膠空間“卡房式”結(jié)構(gòu)，提高了凝膠性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種膨潤土無機(jī)凝膠的制備方法，其特征在于膠化劑的用 量范圍為純土質(zhì)量的4% _20%，其中以氧化鈣為膠化劑時，膠化劑的用量范圍優(yōu)選為的 4% -15% ；以氯化鈣為膠化劑時，膠化劑的用量范圍優(yōu)選為的8% -20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種膨潤土無機(jī)凝膠的制備方法，其特征在于膨潤土無機(jī) 凝膠的膠化條件可以為加熱反應(yīng)(70 90°C下攪拌反應(yīng)1 2小時)或者高速勻質(zhì)分散 (4000 20000轉(zhuǎn)/分鐘分散1 10分鐘)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用鈣基膨潤土制備膨潤土無機(jī)凝膠的方法，其過程是以鈣基膨潤土原礦為起點(diǎn)，使用濕法提純改型同步工藝對鈣基膨潤土進(jìn)行鈉化改型，由于鈉化反應(yīng)的進(jìn)行可以提高蒙脫石的膨脹分散能力，而且在添加的分散劑以及維持礦漿懸浮的攪拌力的作用下，蒙脫石很容易被剝離到膠粒級，從而很容易與達(dá)不到膠粒級的雜質(zhì)礦物分離，因此可以保證提純改型后膨潤土的純度及白度。濕法提純改型后的高純鈉基膨潤土漿液無需脫水干燥，直接用于制備膨潤土無機(jī)凝膠；由于上述鈉基膨潤土漿液蒙脫土片層分散較好，因此制備的膨潤土無機(jī)凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，粘度較高。同時考慮到不同行業(yè)對膨潤土無機(jī)凝膠的粘度的要求不盡相同，本發(fā)明通過控制膠化劑的類型及用量以及不同的膠化條件來控制所制得的膨潤土無機(jī)凝膠的粘度以及白度。
文檔編號C01B33/40GK101823722SQ20101016693
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者張兵兵, 蘇海全 申請人:內(nèi)蒙古大學(xué)