一般物理化学性质及工艺性能

膨润土是一种极有价值、多用途的非金属矿，素有“万能”粘士之称，具有许多优良的工艺性能，其工艺性能主要取决于主要矿物蒙脱石的种类和含量。

1.表面电性

蒙脱石的表面电性来自三个方面:(1)层电荷。单位晶胞最高可达0.6，这种电荷的密度不受所在介质的pH值的影响，是蒙脱石的表面呈负电性的主要原因。(2)破键电荷。产生于四面体的基面和四面体层、八面体片的端面，系Si－O破键和Al－O(OH)破键的水解作用所致。当pH值<7时，因破键分子吸引H⁺带正电荷，pH值>7时带负电;(3)八面体片中离子离解形成的电荷。在酸性介质中，(OH)^－或(AlO³⁺₃)离解占优势，端面荷负电;pH值9.1左右为等电点。

2.膨胀性

膨润土中的蒙脱石吸水或吸附有机分子后，晶层底面间距c₀增大，体积膨胀，膨胀性是膨润土的特殊性能。自然界产出的较稳定的蒙脱石，其单位化学式中有2H₂O时，c₀=1.24nm，有4H₂O时，c₀=1.54nm，高水化状态时，c₀可达1.84～2.14nm，吸附有机分子时，c₀最大可达4.8nm。影响膨胀性大小的因素是蒙脱石层间阳离子和层间水化能力。层间为二价阳离子的蒙脱石，阳离子水化能高，吸水速度快，但吸水量小，膨胀性小，膨胀倍数为几倍至十几倍，如钙基膨润土。层间为一价阳离子的蒙脱石，阳离子水化能低，吸水速度慢，但吸水量大，膨胀性大，膨胀倍数高达20～30倍，如钠基膨润土。

3.分散悬浮性

膨润土在水介质中能分散成胶体状态，膨润土的胶体分散体系的物理化学性质取决于可交换阳离子的种类、分散相颗粒大小和形态。钠基膨润土在水中可以形成永久性的乳浊液或悬浮液，且颗粒越细，悬浮性越好。这种悬浮液具有一定的黏滞性，触变性和润滑性。而钙基膨润土在水中虽可迅速分散，但一般会很快沉淀。分散体系的pH值、阳离子种类和数量影响分散体系的稳定性。在分散体系中添加过量的碱金属或碱土金属阳离子时，将降低蒙脱石晶体层面上的电动电位，产生面－面聚集，使分散相的表面积减小。在酸性分散介质中，若外来金属阳离子干扰少或没有干扰时，蒙脱石晶体带正电荷的端面与晶层面形成面－端型聚集，在中性分散液中，蒙脱石晶片则呈端－端聚集，聚集体的骨架包含大量的水，在浓厚的分散液中，当聚集发展到整个体系时，即成凝胶。在比较稀薄的膨润土分散体系中，当分散相聚集发展到一定程度时，颗粒增大，产生沉淀。

工业应用上，用胶质价、膨胀容、膨润值、吸水率和吸水比等技术指标来评价膨润土的膨胀性及悬浮性的优劣。

胶质价是指膨润土与水按比例混合后，加过量MgO，使其凝聚形成凝胶体，以15g样形成的凝胶体积的毫升数表示，是试样分散性、亲水性和膨胀性的综合表现。

膨胀容指膨润土加水膨胀，然后与盐酸混匀后沉淀物的体积。

膨润值是指膨润土与水充分混合后，加入一定量电解质盐类，所形成凝胶体的体积。

吸水率是指单位质量的膨润土所能吸附水的质量，以百分数表示。

吸水比是指前10分钟的吸水量与2小时吸水量的百分比。

4.触变性、可塑性和黏结性

触变性是指膨润土与水掺和搅拌后，在某一瞬间所表现的应力与应变关系。这是用于钻井泥浆的主要技术性能。在钻探中，需要触变性泥浆，钻探泥浆在流动时变成溶胶，可以用动力较小的泥浆泵来维持它的循环，一旦循环停止，泥浆全部胶凝，岩粉就随泥浆固定下来，以致沉积井底而造成卡钻事故。当钻机开动时，泥浆又变成溶胶，岩粉颗粒仍然悬浮在泥浆中，循环的泥浆把岩粉从钻孔中带出来。膨润土具有较好的可塑性和黏结性，且形变所需的力较其他粘土小。工业应用上以干压强度、湿压强度及湿拉强度等技术指标来衡量膨润土可塑性及黏结性的好坏。一般地，钠基膨润土的触变性、干压强度、湿压强度及湿拉强度均优于钙基膨润土，所以钻井泥浆材料、型砂黏结剂和冶金球团黏结剂均使用钠基膨润土。

5.阳离子交换与吸附性能

膨润土具有很好的吸附性能，能吸附气体或液体中阳离子和分子。在所有粘土中，膨润土的离子交换性最好。膨润土的阳离子交换主要是蒙脱石层间阳离子的交换。晶体端面所吸附的离子也具有可交换性，且随颗粒变细而增大。膨润土的阳离子交换容量与蒙脱石晶层间的阳离子类型有关，此外，也受蒙脱石的粒度、结晶程度、介质性质等因素的影响。层间阳离子的电价和水化能越高，被交换性越差，因此钠基膨润土的阳离子交换容量高于钙基膨润土。在交换吸附中，离子以等当量进行交换。同一交换剂在相同条件下可交换不同量的各种正离子。用实验方法研究交换吸附过程的结果表明，正离子的交换能力随着它们价数的增大而增高，对于同价的正离子而言，交换能力随离子半径的增大而增强。因为离子交换吸附实质上是离子被带异电荷的吸附剂所吸引的结果，所以离子的价数越大，这种吸附力也就越强。至于离子半径的影响，可以这样来解释:离子半径越大，水合离子半径越小。例如，按照水合离子半径的大小，碱金属可排成下列顺序:

非金属矿产加工与开发利用

显然，在吸附的情况下，锂的水合离子中心距离吸附剂的表面，比其余的水合离子中心都要来得远，因此，表面对它的吸附力也是最小的。所以一般的规律是:离子水合半径越大，交换能力越弱。即离子半径越大，交换能力越强。只有H⁺是个例外，H⁺的交换能力不仅高于一价阳离子，而且还高于二价阳离子。几种常见阳离子在浓度相同条件下，交换能力的顺序是:

非金属矿产加工与开发利用

介质的pH值对阳离子交换容量的影响:一般介质中，pH大于7时，阳离子交换容量大，pH小于7时，交换容量变小。介质的pH降低，H⁺的浓度增加，这时扩散层变薄，电位也下降。而扩散层的厚薄能够决定交换剂的交换能力的大小，因为具有交换能力的反离子主要分布在扩散层内。

膨润土在pH值为7的水介质中阳离子交换容量为70～140mmol/100g土左右，其中又以钠质膨润土最佳。温度也对阳离子交换容量起着一定的作用，一般温度升高到100℃以上，交换容量开始减小。

利用膨润土的阳离子交换性可对其进行改型。如在钙基膨润中加入一定量的Na₂CO₃，在一定的工艺条件下，可使其改型为性能更优的钠基膨润土。用硫酸或盐酸在一定的工艺条件下可将钙基膨润土或钠基膨润土活化成吸附性和脱色性更为优异的活性白土。