专利名称：干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法
技术领域：
本发明涉及一种干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，属高膨胀性能钠基膨润土的制备技术领域。
背景技术：
膨润土，又称斑脱岩或膨土岩等，是以蒙脱石为主要成分的粘土岩—蒙脱石粘土岩。由于膨润土具有膨胀性、吸水性、分散性、吸附性、催化活性、触变性、阳离子交换性及润滑等性能，被广泛应用在冶金球团、铸造型砂粘合剂、造纸、橡胶工业填料、印染漂洗、石油化工、日用化工、涂料、环境保护、纺织、医药、放射性物质的吸附、土壤改良、陶瓷、新型建材、电绝缘材料、化妆品、肥皂和食品、载体、饲料添加剂等24个领域100多个行业。我国的膨润土矿产资源十分丰富，矿产几乎遍布全国，其储量居世界第二位，但性能优良天然产出的钠基膨润土很少，绝大多数天然产出的膨润土为钙基膨润土，性能差，质量不稳定，难以达到工业部门的应用标准。由于钠基膨润土比钙基膨润土有更好的膨胀性、阳离子交换性、胶体分散性、触变性、粘结性、润滑性以及热稳定性，所以其用途广泛，且价值高，因此，将膨胀性能较差的钙基膨润土人工改性(钠化处理)制备成高膨胀性能的钠基膨润土是膨润土深加工的第一步。
蒙脱石是膨润土的主要成分，是蒙皂石族中最普遍的一种矿物，它具有两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体所组成的2∶1型晶体结构，蒙脱石每一个片层的厚度约为1nm；长和宽各约为100nm。天然蒙脱土片层在形成过程中，四面体中部分Si4+被Al3+取代，八面体中部分Al3+被Mg2+等取代后，晶体成负电性，为达到电荷平衡，层间吸附着Ca2+、Mg2+等阳离子。膨润土的人工改性正是用Na+离子将膨润土层间可交换的高价阳离子Ca2+、Mg2+置换出来。
钙基膨润土钠化的化学反应式可表示为
这是一个盐基交换反应，需在水的存在下才能进行。一般条件下，很不容易使上述反应达到完全，因为钙土是水不溶片状晶形，它只能以叠晶集合体的形式(即粗颗粒状态)悬浮于水中，钙土与钠盐反应，只是在颗粒的表面进行。钠化了的表层，由于水化作用而形成了一个隔水膜，包裹着颗粒内部未钠化的钙土，如果这一层钠化膜不能及时剥离掉，就会影响里层的钠化，导致“夹生”现象和大量未反应的游离钠盐存在，二者对产品质量和泥浆性能都有不利的影响。因此钠化反应是否能够完全，关键在于钠化方法和条件，也就是所用的改性设备和工艺。
目前膨润土钠化改性方法主要有以下几种1、溶液离子交换法将原料膨润土放入热水中，加入钠化物(如NaCl等)反应10小时以上，然后经过麻烦的过滤、洗涤、干燥、粉碎等工序得到产品，生产效率较低、能耗大。
2、堆场钠化法将湿原矿与纯碱粉混合后，堆置陈化完成离子交换反应，该方法机械化程度较高，但耗时较长。
3、挤压钠化法中国专利公开号CN1011879 B提出了将湿原矿破碎，在双螺旋搅拌混合器中与纯碱粉混合，再在双螺旋反应器中以一定压力经受剪切变形完成离子交换反应，而后经晒干(或烘干)粉磨生产钠基膨润土的方法。该方法需用设备较多，工艺路线较长，生产成本较高，难以实现规模化生产。
4、雷蒙磨钠化法中国专利公开号CN1194940A提出了将含有一定量水分的钙基膨润土原矿和Na2CO3加入雷蒙磨中粉磨从而得到钠基膨润土的方法，但该方法对膨润土水分含量要求较高(水分含量需达到13～18％)，而水分较高时会出现物料和设备的适应性问题，另外该方法物料与设备作用时间较短，易出现钠化不完全，使所得膨润土产品膨胀性能提高有限。
5、微波钠化法中国专利公开号CN1454941A提出了一种用微波来促进钠化反应进行的干法钠化法，该工艺对设备要求较高，投资大，钠化剂用量也较大。
另外，与本发明相关的专利还有中国专利公开号CN1563207A，该专利公开了一种将尿素和蒙脱石加热混合使尿素进入蒙脱石层间从而增大蒙脱石(001)面层间距的方法，但是该法并不能起到钠化作用和很好的提高膨润土的膨胀性能和分散性能的作用。
综上所述，现有膨润土钠化的方法普遍存在钠化时间长、对设备要求高、钠化产品膨胀性能有限等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工序简单，钠化时间短，设备要求低，钠化产品膨胀性能优异的干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法。
本发明为干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于将膨润土粉料和钠盐粉料及尿素粉料均匀混和，加热至85～120℃，恒温0.5～5小时，得到高膨胀性能钠基膨润土；所述钠盐粉料和尿素粉料的加入量分别为膨润土粉料重量百分比的2％～6％和2％～30％。
所述的钠盐可为碳酸钠，氟化钠等的任一种或其混合物。
所述尿素粉料的加入量可为膨润土粉料重量百分比的2％～20％。
所述膨润土粉料可为钙基或钙钠基，钠钙基，钠基膨润土。
所述膨润土粉料的水分含量可在5～20％，粒径小于80μm。优先可小于45μm。
所述的加热温度优先可为85～100℃。
所述高膨胀性能钠基膨润土的膨胀倍可为40～95mL/g。
所述的加热设备可为混合加热设备或烘箱。
本发明的原理变钙基膨润土为钠基膨润土的原理就是创造钠盐离子化条件，使钠离子与钙基膨润土中蒙脱石晶层间的钙离子发生交换反应，并创造加快交换反应的环境条件。
本发明的工艺创造了促进离子交换反应快速进行的必需条件
1、钠盐干粉可被膨润土中自身的水分所溶解从而产生出足够浓度的Na+离子，为钠化提供了物质保障；2、加热设备使物料温度保持在85～120℃之间，激发了钠化引发剂尿素的活性，并加快了离子交换反应速度；3、反应副产物为钙盐，如CaCO3或CaF2等，难溶于水，因此限制了离子交换反应向反方向进行。
4、引发剂尿素的加入改变了蒙脱石的层间微环境，有利于钠离子进入层间和钠盐阴离子对蒙脱石片层进行边缘改性，从而获得高分散性和胶体性能的钠基膨润土。
本发明与现有技术相比，具有以下突出优点和积极效果1、将钠盐和尿素有机结合，并优化设计各自的加入量，其协同作用能够使钙基或钙钠基膨润土快速钠化，并得到高膨胀性能钠基膨润土。充分激发了膨润土的性能潜力，所得高膨胀性能钠基膨润土的膨胀倍和胶质价是其它钠化方法的几倍，在水中的分散性好，泥浆胶体性能好。
2、采用干法改性膨润土工艺，改性对物料的水分要求不高，设备适应性强，生产工艺简单，生产过程无废弃物和污染环境问题。
3、生产设备少，仅需混合加热设备或烘箱，不需老化、脱水、干燥和二次粉碎等工艺，生产周期短，投资少，成本低、见效快，易于实现工业化生产。
4、所添加的添加尿素引发剂，无毒无害，原料易得，成本低廉。
图1为本发明实施例1～8的浙江安吉钙基膨润土原样XRD图；图2为本发明实施例2的浙江安吉钙基膨润土钠化样XRD图；图3为本发明实施例3的浙江安吉钙基膨润土钠化样XRD图；图4为本发明实施例4的浙江安吉钙基膨润土钠化样XRD图；图5为本发明实施例7的浙江安吉钙基膨润土钠化样XRD图；图6为本发明实施例8的浙江安吉钙基膨润土钠化样XRD图；图7为本发明实施例9～10的辽宁钙基膨润土原样XRD图；图8为本发明实施例10的辽宁钙基膨润土钠化样XRD图。
具体实施例方式
现有技术对比例1，单一添加碳酸钠不加尿素将100g小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉钙基膨润土粉料、4g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温3h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍24mL/g，胶质价153mL/15g。
现有技术对比例2，单一添加尿素不加碳酸钠将100g小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉钙基膨润土粉料、10g尿素粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温3h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍17mL/g，胶质价99mL/15g。
实施例1将60g小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉膨润土粉料、6g尿素粉料和1.2g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温3h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍41mL/g，胶质价500mL/15g。
实施例2将100g小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉膨润土粉料、10g尿素粉料和3g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温3h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍56mL/g，胶质价500mL/15g。利用X射线衍射分析(XRD)检测处理前后安吉膨润土的结构变化。安吉钙基膨润土原样见附图1，其蒙脱石(001)面的面网间距d值为1.50nm；经本方法处理后的高膨胀性能钠基膨润土的XRD分析见附图2，其蒙脱石(001)面的面网间距d值减至1.30nm。
实施例3将1kg小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉膨润土粉料、50g尿素粉料和40g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温3h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍80mL/g，胶质价500mL/15g。利用X射线衍射分析(XRD)检测经本方法处理后的高膨胀性能钠基膨润土，其蒙脱石(001)面的面网间距d值由处理前的1.50nm减小至1.25nm，见附图3。
实施例4将1.5kg小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉膨润土粉料、150g尿素粉料和60g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温2.5h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍93mL/g，胶质价500mL/15g。利用X射线衍射分析(XRD)检测经本方法处理后的高膨胀性能钠基膨润土，其蒙脱石(001)面的面网间距d值由处理前的1.50nm减小至1.27nm，见附图4。
实施例5将2kg小于45μm(小于325目)水分含量8％的安吉膨润土粉料、100g尿素粉料和80g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温3h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍69mL/g，胶质价500mL/15g。
实施例6将2kg小于76μm(小于200目)，水分含量11.5％的安吉膨润土粉料、100g尿素粉料和80g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温4h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍51mL/g，胶质价500mL/15g。
实施例7将2.5kg小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉膨润土粉料、500g尿素粉料和100g Na2CO3粉料混合均匀后，放入烘箱中，在85～120℃之间恒温2.5h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍94mL/g，胶质价500mL/15g。利用X射线衍射分析(XRD)检测经本方法处理后的高膨胀性能钠基膨润土，其蒙脱石(001)面的面网间距d值由处理前的1.50nm增大至1.61nm，见附图5。
实施例8将2.5kg小于45μm(小于325目)水分含量11.5％的安吉膨润土粉料、250g尿素粉料和100g Na2CO3粉料放入SHR10高速混合机中，在85～120℃之间，转速为3000r/min条件下高速混合0.5h，按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍92mL/g，胶质价500mL/15g。利用X射线衍射分析(XRD)检测经本方法处理后的高膨胀性能钠基膨润土，其蒙脱石(001)面的面网间距d值由处理前的1.50nm减小至1.20nm，见附图6。
实施例9将3kg小于45μm(小于325目)水份含量12.0％的辽宁钙基膨润土粉料、150g尿素粉料和60g NaF粉料混合均匀后，放入烘箱中，在90～120℃之间恒温2h，得到高膨胀性能钠基膨润土。按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍73mL/g，胶质价500mL/15g。
实施例10将2kg小于45μm(小于325目)水份含量12.0％的辽宁钙基膨润土粉料、100g尿素粉料和60g NaF粉料混合均匀后，放入烘箱中，在90～120℃之间恒温3h，得到高膨胀性能钠基膨润土。按照膨润土性能检测方法(JC/T 593-1995)检测膨胀倍和胶质价，结果为膨胀倍95mL/g，胶质价500mL/15g。利用X射线衍射分析(XRD)检测处理前后辽宁膨润土的结构变化。辽宁钙基膨润土原样见附图7，其蒙脱石(001)面的面网间距d值为1.53nm；经本方法处理后的高膨胀性能钠基膨润土的XRD分析见附图8，其蒙脱石(001)面的面网间距d值减至1.20nm。
膨润土的膨胀倍、胶质价和d001面处理前后变化
权利要求
1.一种干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于将膨润土粉料和钠盐粉料及尿素粉料均匀混和，加热至85～120℃，恒温0.5～5小时，得到高膨胀性能钠基膨润土；所述钠盐粉料和尿素粉料的加入量分别为膨润土粉料重量百分比的2％～6％和2％～30％。
2.按权利要求1所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述的钠盐为碳酸钠，氟化钠的任一种或其混合物。
3.按权利要求1所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述尿素粉料的加入量为膨润土粉料重量百分比的2％～20％。
4.按权利要求1所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述膨润土粉料为钙基或钙钠基，钠钙基，钠基膨润土。
5.按权利要求1或4所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述膨润土粉料的水分含量在5～20％，粒径小于80μm。
6.按权利要求1或4所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述膨润土粉料的粒径小于45μm。
7.按权利要求1所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述的加热温度为85～100℃。
8.按权利要求1所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述高膨胀性能钠基膨润土的膨胀倍为40～95mL/g。
9.按权利要求1或7所述干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，其特征在于所述的加热设备为混合加热设备或烘箱。
全文摘要
一种干法制备高膨胀性能钠基膨润土的方法，将膨润土粉料和钠盐粉料及尿素粉料均匀混和，加热至85～120℃，恒温0.5～5小时，得到高膨胀性能钠基膨润土；所述钠盐粉料和尿素粉料的加入量分别为膨润土粉料重量百分比的2％～6％和2％～30％；所述膨润土粉料的水分含量可在5～20％，粒径小于80μm。优先可小于45μm；所述高膨胀性能钠基膨润土的膨胀倍可为40～95mL/g。本发明将钠盐和尿素有机结合，并优化设计各自的加入量，其协同作用能够使钙基或钙钠基膨润土快速钠化，并得到高膨胀性能钠基膨润土。充分激发了膨润土的性能潜力，所得高膨胀性能钠基膨润土的膨胀倍和胶质价是其它钠化方法的几倍，在水中的分散性好，泥浆胶体性能好。
文档编号C01B33/44GK1724355SQ20051005051
公开日2006年1月25日 申请日期2005年6月28日 优先权日2005年6月28日
发明者严春杰, 陈洁渝, 谌刚, 王乐平, 吕大丰, 韩秀山 申请人:浙江三鼎科技有限公司