膨润土的改性方法有哪些
膨润土的改性方法多种多样,主要包括物理法、化学法和机械法等,这些方法旨在改变膨润土表面的物理性质和化学性质,以满足不同技术领域的应用需求。以下是一些主要的膨润土改性方法:
一、物理法
微波改性
原理:利用频段在300Hz~300GHz之间的微波对膨润土进行处理,使其活化。
特点:微波处理具有穿透性强、加热均匀、操作安全简单、耗能少、效率高等优点。微波加热可降低反应活化能,缩短反应时间,提高反应选择性。经微波辐射制备的改性膨润土连续性更好,粒度分散更加均匀,孔道、表面积进一步增大,能提高膨润土的吸附性能。
超声波改性
原理:利用超声波的空化作用、机械作用和热作用等,对膨润土进行改性。
特点:短时间的超声可以增大膨润土的层间距,结构变疏松,从而使金属离子更易进入;长时间的超声使膨润土中晶体片层表面的Si-O-Si键发生变化,增加了一些金属离子与膨润土表面铝氧位的接触机会,使膨润土对金属离子的专性吸附有所增强。
二、化学法
钠化改性
原理:利用Na⁺与Al、Mg的结合强度大于Ca²⁺与Al、Mg的结合强度,通过Na⁺取代膨润土层间的Ca²⁺而达到钠化改性的目的。
方法:在钙基膨润土中加入钠盐(如Na₂CO₃),使其发生离子变换反应。
常用钠化剂:NaF、Na₂CO₃、NaCl、NaNO₃、Na₂SO₄等。
钠化改型:主要有悬浮液法(湿法)、堆场钠化法(陈化法)、挤压法等。
锂化改性
原理:用锂离子置换蒙脱石层间可交换Ca²⁺或Mg²⁺等阳离子,将钙基膨润土改型为锂基膨润土。
方法:一般用Li₂CO₃进行改型。
特点:锂基膨润土在水中、低级醇及低级酮中有优良的膨胀性、增稠性和悬浮性,因而被广泛用于建筑涂料、乳胶漆、铸造涂料等产品中取代各种有机纤维素悬浮剂。
酸浸改性
原理:利用不同类型和浓度的酸对膨润土进行浸泡,酸液可以将层间金属阳离子溶出,置换成体积更小和价态更低的H⁺,使层间范德华力减小,层间距增大;同时去除通道中的杂质,从而扩大比表面积。
常用酸改性剂:H₂SO₄、HCl、CH₃COOH等。
特点:经酸化后的膨润土称为活性白土或漂白土,其孔容积和比表面积都有很大的改变,吸附点位也增加,因此具有较强的化学活性和吸附性。
焙烧活化改性
原理:将膨润土在不同温度下进行煅烧,膨润土在高温煅烧的情况下会依次失去表面水、骨架结构中的结合水、孔道中的有机物污染质,引起孔隙率增加,结构更为疏松,比表面积变大,使得吸附性能得到一定的改善。
焙烧温度:一般控制在400~500℃。温度过低不能有效去除层间结晶水,温度过高则会破坏膨润土结构,甚至导致晶型转变。
有机改性
原理:将膨润土有机化,利用有机官能团或有机物来取代膨润土层间可交换阳离子或结构水,进而形成以共价键、离子键、偶合键或者以范德华力结合的有机复合物膨润土。
方法:有机改性剂通过离子交换作用与膨润土中的钙或钠等阳离子发生离子交换作用,从而将有机成分引入膨润土。
常用有机改性剂:阴、阳离子表面活性剂,如十八烷基三甲基溴(氯)化铵、十六烷基三甲基溴(氯)化铵、十六烷基二甲基苄基溴(氯)化铵、氯化十六烷基吡啶、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等。
特点:有机改性不但可以增大改变膨润土层间距离,还可以增强去除有机物的能力。改性后的膨润土从亲水疏油性变成亲油疏水性。
无机柱撑改性
原理:通过在膨润土层间形成无机柱状结构从而扩大层间距,提高比表面积,在层间形成二维孔网结构,同时还使膨润土在高温环境中不至塌陷,提高其热稳定性。
方法:多选用Al³⁺、Ti⁴⁺、Mg²⁺、Fe³⁺等聚合羟基阳离子作为柱撑剂,首先用碱液水解上述金属离子盐得低聚羟基阳离子作为柱化液;然后利用膨润土的阳离子交换作用将柱化液中的低聚羟基阳离子交换进膨润土层间;最后通过加热脱羟基在层间形成多孔柱状金属氧化物,再经过磨粉等步骤便得到了无机柱撑膨润土。
特点:无机柱撑膨润土在催化、吸附领域有广泛应用。
无机盐改性
原理:将膨润土浸渍于盐溶液(NaCl、MgCl₂、AlCl₃、CaCl₂、Cu(NO₃)₂、Zn(NO₃)₂等)中进行改性。
特点:盐溶液改性后的膨润土吸附能力比原土均有所提高。经过活化改性,无机盐中的金属离子平衡了部分硅氧四面体上负电荷。由于膨润土结构单元层与外加的低电价、大半径的金属离子之间吸引力较弱,层间阳离子容易被其他阳离子所置换。同时结构单元层在层间溶剂的溶解和剥离作用下,分散成更薄的单晶片,使得膨润土内表面积增大,这种带电性和巨大的比表面积的特性使其具有较强的吸附性。
稀土金属掺杂改性
原理:膨润土在掺杂稀土金属镧后,在其表面或层间引入了一定数量的金属氧化物和氢氧化物,从而削弱了膨润土中蒙脱石的层间键能,层间距增大,结构变得疏松,吸附剂表面羟基数量增多,膨润土表面经羟基覆盖后,极易与阴、阳离子生成表面羟基络合物。
常用稀土改性剂:镧盐及其氧化物。
特点:改性后膨润土对废水中阴阳离子吸附能力增强。
金属负载型改性
原理:以膨润土为载体,采用溶胶-凝胶法、直接沉淀法、浸渍法等工艺将金属活性组分高度分散地负载于载体上,利用载体具有良好的孔径结构和其他特性使活性组分在催化反应中发挥出较好的催化效果。
特点:金属负载改性膨润土在催化领域具有广泛应用。
三、机械法
机械法主要通过物理研磨、粉碎等方式改变膨润土的粒度分布和表面性质,但相对于物理法和化学法来说,机械法在膨润土改性中的应用较少。
综上所述,膨润土的改性方法多种多样,每种方法都有其独特的原理和适用场景。在实际应用中,需要根据膨润土的原始性质和目标应用领域来选择合适的改性方法。

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