專利名稱：一種高性能多用途改性膨潤土的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能多用途膨潤土的改性方法，特別涉及一種利用“干法”制備改性膨潤土的工藝，屬于膨潤土材料深加工技術(shù)領(lǐng)域。背景知識膨潤土(Benionite)又叫班脫巖或膨土巖是一種分布廣泛的非金屬礦產(chǎn)，其主要成分為蒙脫石，蒙脫石礦物晶體結(jié)構(gòu)屬二八面體型，其晶體結(jié)構(gòu)單元是由兩層硅氧四面體中間夾一層鋁氧八面體構(gòu)成，屬單斜晶系。蒙脫石晶胞間是氧層與氧層相對，靠范德華力連接，作用力較弱，所以晶胞間連結(jié)不緊密，在極性分子或外界力的作用下易剝離，Si-O四面體中部分Si4+離子可以被Al3+離子取代，Al-O八面體中的Al3+離子可以被Fe2+、Mg2+、Zn2+等陽離子所置換。這種高低價正離子間的同晶置換結(jié)果，造成負電荷過剩，使它具有吸附陽 離子和極性水分子能力。膨潤土的這種獨特礦物組成與結(jié)構(gòu)特征使其具有如下工藝特性親水性與膨脹性；分散性和懸浮性；粘結(jié)性和觸變性；穩(wěn)定性和無毒性；可塑性等，膨潤土根據(jù)層間吸附離子的不同，可分為鈉基、鈣基、鎂基、鋁(氫)基及鉀基膨潤土，常見的為鈉基和鈣基膨潤土。膨潤土廣泛應(yīng)用于冶金球團、鑄造、鉆井、非開挖定向穿越、化工、食品、環(huán)保等多個領(lǐng)域，被稱作“萬能材料”，主要應(yīng)用于以下行業(yè)鑄造業(yè)，膨潤上最主要的用途之一就是在金屬鑄造中作為粘合劑用于鑄造型砂，在澆鑄時將砂粒粘合在一塊。膨潤土允許模具有一定的塑性變化，避免由于模具形變造成的損失，在注入鐵水和固結(jié)時保持模具的完整，并能使鑄件輕易地脫落出來。鈣基土和鈉基土均可用作粘合劑，但對高壓造型和鋼鑄件、精密鑄件，要求粘合劑的熔點高、耐用性好，通常選用鈉基土。鉆井液，膨潤土是一種低成本的鉆井材料，作為鉆井泥漿的添加劑，其主要作用為①具有搖溶性和膨脹性，允許重劑懸浮，防止沉淀，保證鉆進。②防止氣液露出井壁，穩(wěn)固井壁。③潤滑鉆頭。④在鉆井液中起乳化作用。一般情況下用鈣基土比鈉基土更適于鉆石油探井、聞壓嗔井、小口徑鉆井和不穩(wěn)定地層的鉆探。冶金工業(yè)，高爐煉鐵一般要求鐵礦有一定的粒度，最好粒度大小均勻，形狀似球，以保證高爐燃燒均勻，透氣性、還原性好，達到大風(fēng)快燒的目的。用膨潤土(鈣基土和鈉基土均可)作鐵礦球團粘合劑，可節(jié)省溶劑和焦炭各10-15%，提高高爐生產(chǎn)能力40-50%。非開挖定向穿越，主要應(yīng)用于城市各種電纜及天然氣管道，在水平定向施工時用膨潤土泥漿帶出廢渣，起潤滑和固壁作用。建材工業(yè)，在建材工業(yè)上，膨潤土可用于生產(chǎn)自色硅酸鹽水泥、輕質(zhì)建材、防水材料(如膨潤土防水板、膠泥、止水條和膨潤土乳化浙青防水涂料等)、陶瓷釉料和高級瓷、建筑涂料及金屬防腐涂料、泡沫絕熱材料等。膨潤土在世界儲量豐富，分布甚廣。目前查明儲量將近百億噸，據(jù)統(tǒng)計，鈣基膨潤土占世界地質(zhì)儲量的70% -80%，而優(yōu)質(zhì)的鈉基膨潤土資源卻十分有限。我國膨潤土儲量僅次于美國，居世界第二位，在世界蒙脫石資源分布中，鈣基蒙脫石約占70 % -80 %，天然的鈉基膨潤土含量卻很小，儲量不足5億噸。我國蒙脫石90%為鈣基蒙脫石，由于堿金屬離子比鈣離子具有更好的水化性能，因而堿金屬基膨潤土與鈣基膨潤土相比，具有更好的膨脹性、陽離子交換性、水介質(zhì)中的分散性、膠質(zhì)價、粘性、潤滑性、熱穩(wěn)定性、及較高的觸變性、熱濕壓強度和干壓強度等一系列優(yōu)點，其應(yīng)用更加廣泛，價格也相對較高。因而對鈣基膨潤土的改性有著重要的意義。目前對于天然鈣基膨潤土的改性方法主要有懸浮法，在配漿的同時向水中加入鈣基土和鈉化劑，長時間預(yù)水化，使更多的Ca2+和Mg2+被置換出來；堆場鈉化法，在原礦堆場中，將鈉化劑粉撒在含水量大于30%的膨潤上原礦中，翻動拌合，混合碾壓，老化10天，然后干燥粉碎成產(chǎn)品；擠壓法，包括輪碾擠壓法、雙螺旋擠壓法、阻流擠壓法、對輥擠壓法等。擠壓起到剝片的作用，使蒙脫石顆粒之間、晶粒之間產(chǎn)生相對運動而分離，從而增加 了與Na+的接觸面積，易于進行充分的離子交換；這些方法都存在很多不足，例如堆場鈉化雖然操作簡單，但生產(chǎn)周期長，鈉化效果差；懸浮法鈉化雖效果好，工藝用水量大、生產(chǎn)實施困難，且排出臟水污染環(huán)境；擠壓鈉化對設(shè)備要求高，且離子交換不充分。機械活化(Mechanical Activation)是指固體顆粒物質(zhì)在摩擦、碰撞、沖擊、剪切等機械力作用下,使晶體結(jié)構(gòu)及物化性能發(fā)生改變，使部分機械能轉(zhuǎn)變成物質(zhì)的內(nèi)能，從而引起固體的化學(xué)活性增加。目前機械活化在超微及納米粉末、納米復(fù)合材料、彌散強化合金結(jié)構(gòu)材料、金屬精煉、礦物和廢物處理、有機材料的合成等方面的研究和應(yīng)用已日益廣泛。采用機械活化法對膨潤土進行改性，同過控制活化溫度及活化時間，可生產(chǎn)出高性能、多用途的改性產(chǎn)品，設(shè)備、工藝簡單，易操作，生產(chǎn)過程無“三廢”排放，生產(chǎn)成本低，有利于其朝著產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的方向發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，該方法利用機械活化工藝對天然鈣基膨潤土進行改性制備改性膨潤土，設(shè)備、工藝簡單，易操作，生產(chǎn)過程無“三廢”排放，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下(I)干燥破碎將膨潤土原料干燥至水份含量在10% -15%之間并去除所含長石等雜質(zhì)，然后破碎為粒徑小于10-20_的顆粒；(2)機械活化將稱量好的已破碎的膨潤土原料及改性劑加入自制的裝有球磨介質(zhì)的機械活化設(shè)備中，開動攪拌器，開始攪拌反應(yīng)，其中改性劑用量為膨潤土原料的3-10%，反應(yīng)時間為20-120分鐘，攪拌速度為250rpm-450rpm ；(3)過篩將反應(yīng)所得的改性膨潤土過80-100目篩；所述的膨潤土原料為天然鈣基膨潤土，所含蒙脫石含量不小于65% ；所述的改性劑為堿金屬硫酸鹽、堿金屬碳酸鹽、堿金屬鹵化物或者以上鹽類任意混合物；所述的堿金屬鈉或鉀；所述的改性劑堿金屬硫酸鹽包括硫酸鈉或硫酸鉀；所述的改性劑堿金屬碳酸鹽包括碳酸鋰、碳酸鈉或碳酸鉀；所述的改性劑堿金屬鹵化物包括氟化鈉、氟化鉀、氯化鋰、氯化鈉、氯化鉀、碘化鈉或碘化鉀所述的機械活化設(shè)備是帶有機械攪拌器的攪拌球磨機；所用磨介質(zhì)為直徑在5mm-20mm之間的氧化鋯球、剛玉球，磨介質(zhì)的直徑在5mm-20mm之間，球料比為I : 1-1 3(質(zhì)量比)；本發(fā)明的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法具有如下優(yōu)點和效果(I)設(shè)備簡單、操作簡便，本發(fā)明反應(yīng)過程中只需一臺機械活化設(shè)備，設(shè)備簡單，操作簡便；(2)生產(chǎn)周期短，見效快，由于離子交換反應(yīng)是在機械活化設(shè)備中一次性完成，反 應(yīng)速度快，工序短，可實現(xiàn)工廠連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，見效快；(3)能耗低，成本低，反應(yīng)只需一臺機械活化設(shè)備因而能耗低，投資少，成本低；(4)無污染，由于反應(yīng)是利用機械活化工藝“干法”生產(chǎn)改性膨潤土，無堿液排放，不存在環(huán)境污染；(5)產(chǎn)品性能較好，用途廣泛，本發(fā)明利用固體顆粒物質(zhì)在摩擦、碰撞、沖擊、剪切等機械力作用下，使部分機械能轉(zhuǎn)變成物質(zhì)的內(nèi)能，從而引起固體的化學(xué)活性增加，反應(yīng)充分，而且通過控制攪拌速率和反應(yīng)時間等可以生產(chǎn)出不同用途的改性膨潤土；
具體實施例方式以下通過具體實施實例用于進一步說明本發(fā)明描述的方法，但是并不限制本發(fā)明。實施例I稱取蒙脫石含量為65%的I丐基膨潤土原料IOOOg,干燥至含水量為10%并去除長石等雜質(zhì)，然后加入破碎機破碎為直徑約l_2cm左右顆粒，并加入自制機械活化設(shè)備中，球磨介質(zhì)為剛玉球，磨介質(zhì)粒徑5mm，球料比為I : I (質(zhì)量比)，然后加入3%的碳酸鈉，開動機械攪拌開始反應(yīng)，設(shè)定攪拌速度為250rpm，反應(yīng)時間為20分鐘，然后將所得改性膨潤土過80-100目篩，得到吸藍量為133mmol/100g，膠質(zhì)價為131mL/15g，膨脹容為26mL/g鈉基膨潤土。實施例2稱取蒙脫石含量為70%的鈣基膨潤土原料lOOOg，干燥至含水量為10%并去除長石等雜質(zhì)，然后加入破碎機破碎為直徑約l_2cm左右顆粒，并加入自制機械活化設(shè)備中，球磨介質(zhì)為剛玉球，磨介質(zhì)粒徑lcm，球料比為I : 2(質(zhì)量比)，然后加入5%的氯化鈉，開動機械攪拌開始反應(yīng)，設(shè)定攪拌速度為300rpm，反應(yīng)時間為30分鐘，然后將所得改性膨潤土過80-100目篩，得到吸藍量為135mmol/100g，膠質(zhì)價為133mL/15g，膨脹容為28mL/g鈉基膨潤土。實施例3稱取蒙脫石含量為70%，的鈣基膨潤土原料lOOOg，干燥至含水量為13%并去除長石等雜質(zhì)，然后加入破碎機破碎為直徑約l_2cm左右顆粒，并加入自制機械活化設(shè)備中，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，磨介質(zhì)粒徑1mm，球料比為I : 3 (質(zhì)量比)，然后加入5%的硫酸鈉，開動機械攪拌開始反應(yīng)，設(shè)定攪拌速度為300rpm，反應(yīng)時間為100分鐘，然后將所得改性膨潤土過80-100目篩，得到吸藍量為133mmol/100g，膠質(zhì)價為130. 3mL/15g，膨脹容為27mL/g鈉基膨潤土。實施例4稱取蒙脫石含量為75%|丐基膨潤土原料IOOOg,干燥至含水量為13%并去除長石等雜質(zhì)，然后加入破碎機破碎為直徑約l_2cm左右顆粒，并加入自制機械活化設(shè)備中，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，磨介質(zhì)粒徑2cm，球料比為I : 2(質(zhì)量比)，然后加入3%的氯化鉀，開動機械攪拌開始反應(yīng)，設(shè)定攪拌速度為350rpm，反應(yīng)時間為120分鐘，然后將所得改性膨潤土過80-100目篩，得到吸藍量為135mmol/100g，膠質(zhì)價為132mL/15g，膨脹容為28mL/g的鉀基膨潤土。實施例5
稱取蒙脫石含量為75%鈣基膨潤土原料lOOOg，干燥至含水量為15%并去除長石等雜質(zhì)，然后加入破碎機破碎為直徑約l_2cm左右顆粒，并加入自制機械活化設(shè)備中，球磨介質(zhì)為氧化鋯球，磨介質(zhì)粒徑5mm，球料比為I : 1(質(zhì)量比)，然后加入10%的氟化鈉，開動機械攪拌開始反應(yīng)，設(shè)定攪拌速度為400rpm，反應(yīng)時間為100分鐘，然后將所得改性膨潤土過80-100目篩，得到吸藍量為145.4mmol/100g，膠質(zhì)價為138mL/15g，膨脹容為30mL/g鈉基膨潤土。實施例6稱取蒙脫石含量為70%的鈣基膨潤土原料lOOOg，干燥至含水量為15%并去除大塊長石等雜質(zhì)，然后加入破碎機破碎為直徑約l_2cm左右顆粒，并加入自制機械活化設(shè)備中，球磨介質(zhì)為剛玉球，磨介質(zhì)粒徑2cm，球料比為I : 3 (質(zhì)量比)，然后加入8%的碳酸鋰，開動機械攪拌開始反應(yīng)，設(shè)定攪拌速度為450rpm，反應(yīng)時間為100分鐘，然后將所得改性膨潤土過80-100目篩，得到吸藍量為148mmol/100g，膠質(zhì)價為140. 2mL/15g，膨脹容為35mL/g鋰基膨潤土。
權(quán)利要求
1.一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于是利用機械活化工藝一步實現(xiàn)鈣基膨潤土原料的改性，具體包括如下步驟。
(1)干燥破碎將膨潤土原料干燥至水份含量在10%-15%之間并去除所含長石等雜質(zhì)，然后破碎為粒徑為10-20mm的顆粒； (2)機械活化將稱量好的已破碎的膨潤土原料及改性劑加入自制的裝有球磨介質(zhì)的機械活化設(shè)備中，開動攪拌器，開始攪拌反應(yīng)，其中改性劑用量為膨潤土原料的3-10%，反應(yīng)時間為20-120min，攪拌速度為250rpm_450rpm ； (3)過篩將反應(yīng)所得的改性膨潤土過80-100目篩。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于所述的膨潤土原料為天然鈣基膨潤土，所含蒙脫石含量不小于65%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于所述的改性劑為堿金屬硫酸鹽、堿金屬碳酸鹽、堿金屬鹵化物或者以上鹽類任意混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于所述的改性劑堿金屬硫酸鹽包括硫酸鈉或硫酸鉀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于所述的堿金屬碳酸鹽包括碳酸鋰、碳酸鈉或碳酸鉀。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于所述的改性劑堿金屬齒化物包括氟化鈉、氟化鉀、氯化鈉、氯化鉀、碘化鈉或碘化鉀。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于，所用的機械活化設(shè)備是帶有機械攪拌器的攪拌球磨機。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高性能、多用途改性膨潤土的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所用磨介質(zhì)為氧化錯球或剛玉球,磨介質(zhì)的直徑在5mm-20mm之間，球料比為1:1-1: 3(質(zhì)量比)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能多用途改性膨潤土的制備方法，主要適用于對天然鈣基膨潤土通過人工“干法”改性制備改性膨潤土，其核心是利用機械活化工藝一步實現(xiàn)膨潤土離子交換反應(yīng)，具體包括如下步驟將膨潤土原礦干燥并破碎為粒徑較小顆粒，然后加入自制的機械活化設(shè)備中，再加入一定量的改性劑，啟動機械攪拌并設(shè)置一定攪拌速度，使原料在球磨介質(zhì)的研磨下發(fā)生反應(yīng)，最后將生成的改性膨潤土過篩。本發(fā)明通過對改性劑用量、反應(yīng)時間及攪拌速度等的控制，可制備出適用于冶金球團、鑄造、鉆井等多用途的膨潤土，該法具有生產(chǎn)工藝與設(shè)備簡單、生產(chǎn)周期短、成本低、反應(yīng)速度快，改性更加充分、無污染、產(chǎn)品性能高等優(yōu)點。
文檔編號C01B33/40GK102765730SQ20121027156
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者吳睿, 彭小玉, 李克賢, 王則奮, 王犇, 甘激文, 謝清若, 賈艷樺, 阮付賢, 陶靖, 韋永城, 黃科林 申請人:中國科技開發(fā)院廣西分院, 崇左市進港礦業(yè)有限公司, 廣西弘耀祥科技有限公司