第三讲_阴离子型黏土插层复讲义合材料
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阴离子表面活性剂在粘土表面的吸附作用研究进展在水中电离后起表面活性作用的部分带负电荷的表面活性剂称为阴离子表面活性剂。
从结构上把阴离子表面活性剂分为羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐和磷酸酯盐四大类。
1.阴离子表面活性剂的作用机理该类表面活性剂在水中电离,起活性作用的部分为阴离子。
作用为阴离子交换吸附:(粘土表面)吸附剂表面的离子可以和溶液中的同号离子发生交换作用。
分子中的亲水基团与毛细管壁粘土和页岩发生化学反应以化学键牢固的结合,亲油基团在外,在毛细管表面形成一层保护膜,使毛细管畅通,防止毛细管堵塞。
已堵塞的毛细管也能被打通,确保石油能畅通流入生产井,从而提高石油采收率。
在强酸环境中仍能与毛细壁和页岩以化学键牢固结合,防止毛细管壁页岩和粘土吸水膨胀、分散、运移,打开毛细管,使之畅通确保石油流入采油井,从而提高石油采收率。
2.阴离子表面活性剂对粘土性能的改变和影响阴离子表面活性剂对粘土的力学特性能产生显著的影响。
具体表现为:压缩性增大,抗剪强度降低;整体表现为工程适用性下降,力学性质劣化。
阴离子表面活性剂降低了粘土的湿陷性,并且污染土的渗透性较原状土有所降低。
阴离子表面活性剂能降低土体的基质吸力,从而导致其抗剪强度下降的机制,其中SDBS这种表面活性剂对粘土的微观结构有所弱化,强度降低,击实性能提高。
3.阴离子表面活性剂应用与发展3.1油气集输过程中的应用a.一、二次采油阶段,采出的原油乳状液为油包水乳状液,最初使用羧酸盐、硫酸盐和磺酸盐等阴离子型表面活性剂作为破乳剂进行脱水,后来逐渐被非离子型表面活性剂及高分子表面活性剂所代替。
b. 易凝和高凝点原油的输送,除加热输送以外,也可使用原油降凝剂,降低原油凝固点进行输送,阴离子型表面活性剂石油磺酸盐中的钙盐、钠盐、钾盐及铵盐都可作为原油降凝剂。
c. 原油中的胶质、沥青质含量越高粘度越大,给管道输送带来很多困难。
为了解决这种困难,使用适量稠油降粘乳化剂,形成水包油乳状液,降低体系粘度,达到便于泵送管输目的。
第三章粘土知识与配浆第一节粘土矿物的分类及主要性质一、粘土矿物的分类及主要特点粘土矿物按结构不同,可分为高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、海泡石族和混合晶层粘土矿物。
1、高岭石表面呈电中性,层间结构紧密,性能较稳定,不易分散。
为非膨胀型粘土矿物。
水化能力差,造浆性能不好,一般不作配浆土使用。
2、蒙脱石层间结构,表面带负电,为膨胀型粘土矿物。
根据交换性阳离子的不同,可分为钠蒙脱石、钙蒙脱石、镁蒙脱石和铵蒙脱石(简称为钠土、钙土、镁土和铵土)等。
3、伊利石也称水云母,是最丰富的粘土矿物,存在于所有的沉积年代中,在古生代沉积物中占优势。
表面带负电,非膨胀型粘土矿物。
水化作用仅限于粘土矿物表面。
4、绿泥石通常绿泥石无层间水,而某些降解的绿泥石中有某种层间水和晶格膨胀,在古生代沉积物中含量丰富。
5、海泡石族俗称抗盐粘土,包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(又名山软木)。
纤维状结构,具有较大的内表面,水分子可以进入内部孔道,在淡水和盐水中均易水化膨胀,热稳定性好。
6、混合晶层粘土矿物混合晶层粘土矿物比单一粘土矿物更易分散、易膨胀,特别是其中有一种成分有膨胀性时,更是如此。
二、粘土矿物的主要性质1、粘土的吸附作用吸附作用是粘土的主要性质之一。
什么是吸附作用呢?吸附作用是指一种物质吸附于另一种物质的过程。
被吸附的物质为吸附质,可以吸附其它物质的物质称为吸附剂。
如粘土吸附了聚丙烯酰胺分子,则聚丙烯酰胺分子为吸附质,粘土为吸附剂。
吸附现象在钻井液中是无时无刻不存在的。
(1)物理吸附其吸附作用是由于分子间范德华引力产生的,吸附以后吸附剂不生变化,这种作用称为物理吸附。
物理吸附与物质的分散度有关,分散度超高,吸附现象就越明显、越激烈。
(2)化学吸附――离子交换吸附粘土颗粒表面吸附的离子与周围介质中的离子之间所发生的当量交换作用,使粘土的性质发生了改变,这种吸附作用就叫化学吸附,也称为离子交换吸附。
这种交换吸附反应是是可逆的。
水滑石及其插层复合材料的制备与讨论现状水滑石是一种阴离子型层状材料,与其衍生物类水滑石、柱撑水滑石统称为层状双羟基复合金属氧化物(LayeredDoubleHydroxides,LDHs)。
由于LDHs独特的层状结构及层间的阴离子可被各种功能阴离子基团交换、取代,使层状结构和构成发生相应的变化,从而可得到具有光、电、声、磁、催化、吸附、药物缓释、离子交换等特别性质的功能材料。
因此,已成为插层有机—无机复合化合物讨论领域的热点之一。
水滑石之所以能在催化领域被广泛应用,是因其特别的结构给与其很多特性:1.特别的层状结构。
晶体场严重不对称,阳离子在层板上的晶格中,阴离子不在晶格中,而在晶特别的层间。
2.碱性。
HTLcs的碱性与层板上阳离子M的性质、M—O键的性质都有关系。
3.酸性。
HTLcs的酸性不仅与层板上金属离子的酸性有关,而且还与层间阴离子有关。
4.稳定性。
HTLcs经焙烧所得的复合金属氧化物仍是一类紧要的催化剂和载体。
以水滑石为例,其热分解过程包括脱结晶水、层板羟基缩水并脱除CO2和新相生成等步骤。
在低于220℃时,仅失去结晶水,而其层状结构没有被破坏;当加热到250~450℃时,层板羟基缩水并脱除CO2;在450~550℃区间,可形成比较稳定的双金属氧化物,构成是Mg3AlO4(OH),简写为LDO。
LDO在肯定的湿度(或水)和CO2(或碳酸盐)条件下,可以恢复形成LDH,即所谓的“记忆功能”。
LDO一般具有较高的比表面积(约200~300m2/g)、三种强度不同的碱性中心和不同的酸性中心,其结构中碱中心充分暴露,使其具有比LDH更强的碱性。
当加热温度超过600℃时,尖晶石MgAl2O4和MgO形成,金属氧化物的混合物开始烧结,从而使表面积大大降低,孔体积减小,碱性减弱。
目前,水滑石特别是作为阻燃剂的讨论开发,受到极大的关注。
由于传统的含卤阻燃剂的电缆护套,在猛烈受热或燃烧时会析出达到人的致命量的卤化氢气体。
两性-阳(阴)离子复配修饰黏土矿物稳定性的研究摘要有机修饰黏土矿物的稳定性不仅会影响其对污染物的吸附能力,同时可能存在的表面活性剂的解吸会导致二次污染问题,因此,研究黏土矿物的稳定性对于修饰黏土矿物的实际应用具有重要意义。
为了探究两性及两性-阳(阴)离子复配修饰黏土矿物的稳定性,本文以2:1型膨润土和1:1型高岭土作为基质,分别采用两性表面活性剂十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)、两性+阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)和两性+阴离子型表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)对这两种黏土矿物进行单一和复配修饰,批处理法研究NaCl溶液解吸下的土样中各修饰剂的稳定性,并对比温度、pH和盐溶液浓度对解吸的影响。
同时研究了部分BS-12、BS+CT、BS+SDS修饰土的TOC含量、比表面积,采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和热重等方法对土样表面特征进行的分析,多方面描述改性黏土矿物解吸前后的变化规律,从微观角度揭示两性复配修饰黏土矿物的稳定性机制,为两性复配修饰黏土矿物的实际应用提供依据。
研究得到的主要结论如下:1 BS-12单一修饰膨润土比BS-12单一修饰高岭土具有更好的解吸稳定性;两性+阳(阴)离子型复配修饰膨润土的稳定性高于两性+阳(阴)离子型复配修饰高岭土;两性-阳离子复配修饰黏土矿物比两性-阴离子型具有更好的稳定性。
2 BS-12单一修饰膨润土具有较好的解吸稳定性,在不考虑其他因素影响的前提下,BS-12的解吸率均小于5%;BS-12单一修饰高岭土的稳定性略差,其BS-12的解吸率均小于18%。
3 BS-12单一修饰膨润土和高岭土的解吸稳定性随着BS-12的修饰比例的升高而降低,即以阳离子交换模式与土样结合的BS-12比以疏水模式结合的更为稳定;解吸液pH 和NaCl溶液浓度的升高、温度的降低均促进两种修饰土样稳定性增强。
在供试条件范围内,当解吸液NaCl浓度为2mol/L,pH条件为10,温度为20℃时,BS-12单一修饰膨润土和高岭土最为稳定。
水滑石类阴离子黏土的典型结构水滑石类阴离子黏土,这个名字一听就有点让人摸不着头脑,仿佛是从某个化学实验室里跑出来的怪兽。
不过,不用担心,咱们今天就来聊聊它,试着把这个看似神秘的东西说得明明白白、简单易懂。
你知道嘛,水滑石其实也叫做水滑石矿,它是属于一种层状的黏土矿物,像叠罗汉一样,一层一层地堆叠起来,形态上就像是饺子皮一样薄又多,别看它个头小,功夫大着呢!这类矿物的一个大特色就是里面有“阴离子”,所以也常常用来当做一种高效的吸附材料,或者当作环保界的“吸尘器”,吸附空气中的一些有害物质。
嘿,不得不说,它可是个环保小能手!你可能会问了,水滑石这东西到底长什么样?要说的话,大家可以想象一下,像一本书,书页是一层一层的,上面可能夹着一些“杂志”,这杂志可不是普通的纸张,它是一些带有负电荷的离子,像是有点“叛逆”的朋友,喜欢待在层层结构中。
这些离子就好比在书页之间偷偷躲着,外界有时候让它们出来,其他时候它们就安安静静地待在里面。
每一层的结构都很整齐,简直就是“工整到爆”。
要知道,这层状结构的一个最大优势就是它们能在外界条件变化时,灵活应对,就像是会变形的魔法师,什么时候需要扩展、收缩,一切都在它们掌控之中。
这么强大的结构,怎么会少得了它的“搭档”呢?水滑石有很多的阴离子伙伴,像碳酸根、硫酸根、氯离子等,都是它的亲密“朋友”。
有些时候,水滑石甚至能把这些阴离子吸附在自己的层间,或者干脆把它们当作“代客泊车”的位置。
它们好像一座城市,阴离子是城市里的居民,而水滑石就是那座城市的框架。
这些居民在层与层之间住得很舒适,外面不容易进来干扰。
嘿,能让这些“居民”过上安稳日子的水滑石,那可真是个居家必备的好材料。
对于这些水滑石类阴离子黏土来说,它们的应用可是相当广泛的。
它们能够吸附一些污染物,所以在环境保护上起到了非常重要的作用。
就拿水处理来说吧,水滑石可以把一些有害的离子给“抓住”,然后把这些不需要的东西从水中移除。