CN101224894A

CN101224894A - 一种高粘度有机膨润土的制备方法

Info

Publication number: CN101224894A
Application number: CNA2008100195930A
Authority: CN
Inventors: 雷东升; 王学群
Original assignee: SUZHOU SINO-MATERIALS NON-METALLIC MINERALS INDUSTRY DESIGN AND RESEARCH INSTITU
Current assignee: SUZHOU SINO-MATERIALS NON-METALLIC MINERALS INDUSTRY DESIGN AND RESEARCH INSTITU
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2008-07-23

Abstract

一种高粘度有机膨润土的制备方法，本发明通过对膨润土原矿进行钠化、提纯、水热合成、压滤脱水和粉碎干燥操作步骤后获得高粘度有机膨润土。其可以直接应用于油漆、油墨、石油钻井泥浆和高分子聚合物等作为增稠悬浮、流变和防流挂剂。本发明通过对膨润土的钠化改型、提纯、有机复合等工艺的系统研究，制备出产品质量稳定、性能优良的有机膨润土凝胶，确定出合适的工艺流程和工艺参数。

Description

一种高粘度有机膨润土的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高粘度有机膨润土的制备方法，通过本发明对膨润土原矿进行钠化、提纯、合成、脱水和干燥操作后，得到的有机膨润土粘度可达8000～10000mPa.s，可以直接应用于油漆、油墨、石油钻井泥浆和高分子聚合物等作为增稠悬浮、流变和防流挂剂。

背景技术

膨润土(Bentonite)也叫斑脱岩或膨土岩，是以蒙脱石为主要成份的粘土矿物，蒙脱石含量一般在85～90％，因此膨润土的一些性质由蒙脱石所决定。蒙脱石的结构式为Na_x(H₂O)₄{(AI_2-xMg_0.33)[Si₄O₁₀](OH)₂}，由两层硅氧四面体和一层硅氧八面体组成单位晶层，四面体和八面体靠共用的氧原子连接，晶层之间靠氧层连接，沿c轴方向叠置，从而使其具有刚性，层间不滑移，单位晶层的厚度约为1nm，层间距d(001)为1.2～1.6nm。

膨润土价格低廉、储量丰富、应用范围广。该矿物因具有良好的膨胀性、分散性、悬浮性、吸附性、可塑性、很高的离子交换能力和干粘结强度、高剪切和高的抗压强度以及良好的不渗透性等一系列性质，已在许多工业部门中得到广泛的应用。但是天然的或未经相应改性处理的膨润土及其产品由于其特有的亲水疏油性能而限制了其在有机体系中的应用。

膨润土的层间阳离子种类决定膨润土的类型，层间阳离子为Na⁺时称钠基膨润土；层间阳离子为Ca⁺时称钙基膨润土；层间阳离子为H⁺时称氢基膨润土(活性白土)；层间阳离子为有机阳离子时称有机膨润土。有机膨润土是膨润土矿物和有机铵(或胺)的复合物，即是指用有机阳离子或有机化合物，取代蒙脱石层间交换性阳离子或吸附水，生成一种疏水亲油的非牛顿型有机触变剂，其特性为在有机介质中具有溶胀性、高分散性和触变性，作为有机体系的防沉剂和增稠剂，以替代有机类如纤维素醚类防沉剂和增稠剂。

现有的有机膨润土粘度低，主要用于油漆、油墨、涂料、润滑脂、油基钻井泥浆、密封材料、精密铸造、污水处理等行业，不同粘度的有机膨润土可以有不同的应用，高粘度有机膨润土不仅可以起到防沉剂的作用，同时还具有一定的增稠剂作用，可以部分替代有机增稠剂。

发明内容

本发明是提供一种高粘度有机膨润土的制备方法，其目的是解决我国现有的有机膨润土产品存在的粘度低、质量不稳定，因而导致应用领域不广泛的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高粘度有机膨润土的制备方法，由下列步骤依次组成：

(1)、膨润土原矿的钠化：将膨润土原矿、水和钠化剂加入钠化罐中混合，并进行搅拌，使膨润土与钠化剂充分发生钠化反应，得到钠化物料，水与膨润土原矿的质量比例为4∶1～32∶1，钠化剂与膨润土原矿的质量比例为0.01∶1～0.1∶1，所述的钠化剂在水溶液中提供钠离子；

(2)、提纯：以水力旋流器与卧式螺旋离心机串联连接作为提纯设备，将钠化物料送入所述提纯设备，依次通过水力旋流器和卧式螺旋离心机对钠化物料进行去除粗砂和细砂的处理，提纯后的膨润土矿浆从卧式旋流器的出料口排出；

(3)、水热合成：将提纯后的膨润土矿浆加入反应釜中，加热至50℃～100℃，pH值调至6～10，并在搅拌条件下加入有机膨润土覆盖剂溶液，保温30min～120min，使所述有机膨润土覆盖剂中的有机阳离子与膨润土中的可交换阳离子发生离子交换反应，得到有机膨润土浆料；其中，有机膨润土覆盖剂与膨润土的质量比例为0.2∶1～1∶1；

(4)、压滤脱水：采用板框压滤机对经过反应釜水热合成的有机膨润土浆料进行压滤；

(5)、粉碎干燥：将压滤后的滤饼在强力粉碎干燥机中进行粉碎和干燥，获得高粘度有机膨润土。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述钠化剂的作用是提供Na⁺，钠化反应是指用Na⁺取代存在于蒙脱石层间的其它种类的阳离子，从而有利于有机阳离子的离子交换。

2、上述方案中，所述钠化剂选择碳酸钠、氯化钠、氟化钠和碳酸氢钠中的至少一种。

3、上述方案中，所述的有机膨润土覆盖剂为至少一条碳链为十二～二十二烷基的季铵盐，如十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、十六烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵等。

4、上述方案中，钠化罐是指供膨润土原矿发生钠化的容器。

本发明工作原理是：

钠化原理：由于高价阳离子(Ca²⁺、Mg²⁺)水化膜薄，膨润土膨胀倍数低，层间可交换阳离子容量(CEC)小，而低价阳离子(K⁺、Na⁺)水化膜厚，膨润土膨胀倍数高，层间可交换阳离子容量(CEC)大，在合成有机膨润土前，先将蒙脱石钠化，有利于有机阳离子的离子交换。合成有机膨润土的基本原理是基于以有机铵(胺)阳离子与蒙脱石层中可交换阳离子(主要是钠离子)发生交换反应，使有机基团覆盖于蒙脱石矿物表面，使它的表面性能发生变化，由原来的亲水性转变为亲油性的有机粘土，反应式如下：

2R₁R₂R₃R₄N⁺X^-+M-Na₂→M-(R₁R₂R₃R₄)₂+2NaX。

膨润土原料提纯：水力旋流器可除去膨润土原矿中较粗粒级的砂质，对卧式螺旋离心分离机起保护作用，卧式螺旋离心分离机中矿浆随分离机转鼓高速运动而受到离心力的作用，处于动态运动之中，可以实现较高浓度下获得产品性能稳定、质量优良的钠化提纯产品。

水热合成：传统的有机膨润土制备工艺流程中水热合成反应一般在酸性条件下进行，本发明在碱性条件下进行水热合成反应比在酸性条件下膨润土有机凝胶的粘度更高。

粉碎干燥：粉碎干燥采用强力粉碎干燥机，强力粉碎干燥工艺干燥与碎散同时进行，使包裹在颗粒中的水分及时暴露于表面，快速蒸发，既提高了干燥效率，又能在负压下及时排出，避免过分干燥而降低产品质量。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明采用的动态离心提纯工艺较传统的自然沉降工艺相比具有以下两个方面的优势：①、在动态离心提纯工艺中，矿浆随分离机转鼓高速运动而受到离心力的作用，处于动态运动之中，这样可以消除矿浆本身具有的触变性对矿物分离产生不利影响；并且能实现较高浓度条件下蒙脱石与杂质矿物的分离；②、动态离心提纯工艺工作连续，稳定性好，易于自动化操作，能稳定钠化提纯产品的质量。

2、本发明采用的强力粉碎干燥工艺较传统的烘箱干燥+雷蒙磨粉碎工艺相比具有以下二个方面的优势：①、强力粉碎干燥工艺实现了流程的连续化作业；②强力粉碎干燥工艺的干燥与碎散同时进行，使包裹在颗粒中的水分及时暴露于表面，快速蒸发，既提高了干燥效率，又能在负压下及时排出，避免过分干燥而降低产品质量，强力粉碎干燥工艺还实现了生产过程自动加料、物料机械输送、生产操作连续化和封闭式加工，从而提高了膨润土深加工的技术水平，在生产实践中能保证产品质量稳定、性能优良。

3、本发明通过对膨润土的钠化改型、提纯、有机复合等工艺的系统研究，制备出产品质量稳定、性能优良的有机膨润土凝胶，确定出合适的工艺流程和工艺参数。

附图说明

附图1为本发明的工艺流程图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种高粘度有机膨润土的制备方法，如附图1所示，由下列步骤依次组成：

(1)、膨润土原矿的钠化：将膨润土原矿、水和钠化剂加入带有搅拌器的ф1000×1000钠化罐中混合，并进行搅拌，搅拌速度为300r/min，保持钠化反应60min；其中，水与膨润土原矿的质量比例为13∶1，钠化剂与膨润土原矿的质量比例为4％；钠化改型剂选择碳酸钠。

(2)、提纯：ф50水力旋流器和WLB-350卧式螺旋离心机串联连接；钠化后的物料从ф50水力旋流器的进料口进入ф50水力旋流器，依次通过ф50水力旋流器和WLB-350卧式离心机。ф50水力旋流器溢流口直径为10mm，底流口直径为6mm，给矿压力为0.4MPa，处理量为143.7kg/h，给矿浓度4.2％。WLB-350卧式螺旋离心机分离因素为1700，处理量为3.6m³/h，给矿浓度为3.87％，钠化提纯试验获得的精矿产品产率为71.0％，浓度为3.23％，蒙脱石含量为90.0％，d(001)值也从1.5768nm改变为1.1872nm，说明钠化提纯效果良好。分离因素是指卧式螺旋离心机的分离因素，计算公式为n²r/894，其中n为离心机的转速，r为离心机的半径。提纯后的膨润土矿浆从卧式旋流器的出料口排出。

(3)、水热合成：将经过提纯的膨润土矿浆加入反应釜中，加热至85℃，调节pH值至9～10，并在搅拌速度为70r/min的条件下均匀加入有机膨润土覆盖剂溶液，在85℃条件下保温60min后获得有机膨润土浆料；其中，有机膨润土覆盖剂与膨润土的质量比例为1∶0.65。水热合成反应作业时，反应釜中设置温度自动控制系统，自动检测反应釜内温度，提供蒸汽加温温度信号，便于反应釜温度位式控制；反应釜的搅拌方式选择框式加浆式，可保证水热合成反应的高效稳定。

(4)、将经过反应釜有机覆盖的有机膨润土浆料利用TY2-25型板框压滤机进行压滤脱水，压力为0.8MPa，压滤时间为30分钟，滤饼固含量为45％。

(5)、粉碎干燥：将压滤后的滤饼在强力粉碎干燥机中进行粉碎和干燥，获得高粘度有机膨润土。所得凝胶的粘度值达到9200mPa·s。

实施例二：一种高粘度有机膨润土的制备方法，如附图1所示，由下列步骤依次组成：

(1)、膨润土原矿的钠化：将膨润土原矿、水和钠化剂加入带有搅拌器的ф1000×1000钠化罐中混合，并进行搅拌，搅拌速度为200r/min，保持钠化反应40min获得钠化物料；其中，水与膨润土原矿的质量比例为20∶1，钠化剂与膨润土原矿的质量比例为8％；钠化改型剂选择碳酸钠和氯化钠的混合物。

(2)、提纯：ф50水力旋流器和WLB-350卧式螺旋离心机串联连接；钠化物料从ф50水力旋流器的进料口进入ф50水力旋流器，依次通过ф50水力旋流器和WLB-350卧式离心机。ф50水力旋流器溢流口直径为10mm，底流口直径为6mm，给矿压力为0.4MPa，处理量为143.7kg/h，给矿浓度4.2％。WLB-350卧式螺旋离心机分离因素为1700，处理量为3.6m³/h，给矿浓度为3.87％，钠化提纯试验获得的精矿产品产率为71.0％，浓度为3.23％，蒙脱石含量为90.0％，d(001)值也从1.5768nm改变为1.1872nm，说明钠化提纯效果良好。分离因素是指卧式螺旋离心机的分离因素，计算公式为n²r/894，其中n为离心机的转速，r为离心机的半径。提纯后的膨润土矿浆从卧式旋流器的出料口排出。

(3)、水热合成：将经过提纯的膨润土矿浆加入反应釜中，加热至95℃，调节pH值至8～9，并在搅拌速度为100r/min的条件下均匀加入有机膨润土覆盖剂溶液，在95℃条件下保温80min后获得有机膨润土浆料；其中，有机膨润土覆盖剂与膨润土的质量比例为1∶0.8。水热合成反应作业时，反应釜中设置温度自动控制系统，自动检测反应釜内温度，提供蒸汽加温温度信号，便于反应釜温度位式控制；反应釜的搅拌方式选择框式加浆式，可保证水热合成反应的高效稳定。

(4)、将经过反应釜有机覆盖的有机膨润土浆料利用TY2-25型板框压滤机进行压滤脱水，压力为0.9MPa，压滤时间为35分钟，滤饼固含量为53％。

(5)、粉碎干燥：将压滤后的滤饼在强力粉碎干燥机中进行粉碎和干燥，获得高粘度有机膨润土。所得凝胶的粘度值达到9500mPa.s。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高粘度有机膨润土的制备方法，其特征在于：由下列步骤依次组成：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述钠化剂选择碳酸钠、氯化钠、氟化钠和碳酸氢钠中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的有机膨润土覆盖剂为至少一条碳链为十二～二十二烷基的季铵盐。