鋁鎂混合金屬氫氧化物(MMH)具有類水滑石結(jié)構(gòu),因同晶置換而使結(jié)構(gòu)層荷正電,層間吸附交換性陰離子維持電中性.近年來(lái),關(guān)于MMH在石油勘探開發(fā)中的應(yīng)用報(bào)道很多,主要用于提高粘土懸浮體的凝膠強(qiáng)度和穩(wěn)定地層中的粘土礦物.我們?cè)铣闪?/SPAN>Al-MgMMH溶膠,研究了其合成機(jī)理、陰離子交換性能及與鈉土懸浮體的相互作用.本文研究了NaCl、Na2SO4、MgCl2與十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對(duì)MMH/粘土懸浮體膠體性能的影響,以期了解不同種類的離子影響MMH/粘土懸浮體性能的行為.
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 材 料
Al-MgMMH溶膠[組成為Mg0.37Al(OH)3.50Cl0.24]的制備方法見文獻(xiàn),鈣蒙脫土(山東安丘)的基本性能同文獻(xiàn),處理方法見文獻(xiàn).其它試劑均為分析純.
1.2 懸浮體的制備及性能測(cè)定
在鈉土懸浮體中加入MMH溶膠,高速攪拌20min,陳化24h,得MMH/鈉土懸浮體.再向鈉土懸浮體中加入NaCl、MgCl2、Na2SO4或CTAB,高速攪拌20min,陳化24h.懸浮體流變參數(shù)的測(cè)定及數(shù)據(jù)處理見文獻(xiàn),濾失量(FL)的測(cè)定采用中壓濾失量測(cè)定儀,恒定壓差0.7MPa,過(guò)濾圓直徑72.2mm,讀取30min時(shí)收集的濾液體積.由于懸浮體粘稠,不易準(zhǔn)確測(cè)定其pH值,故將濾液的pH值定為懸浮體的pH值.
1.3 電泳淌度的測(cè)定
將待測(cè)體系用去離子水稀釋至～0.04%,用NaOH或HCl調(diào)節(jié)pH值,陳化24h,選取10～20個(gè)不同顆粒,計(jì)算粒子運(yùn)動(dòng)的平均速度及電泳淌度.
2 結(jié)果與討論
2.1 電解質(zhì)對(duì)MMH溶膠電泳淌度的影響
圖1是NaCl、MgCl2、Na2SO4對(duì)MMH溶膠電泳淌度的影響.
圖1NaCl、MgCl2、Na2SO4對(duì)MMH溶膠電泳淌度的影響
由圖1可見,在所研究的濃度范圍內(nèi),NaCl基本不影響淌度值,說(shuō)明NaCl屬于不相干電解質(zhì),對(duì)MMH膠粒的雙電層只有輕微的擠壓作用,MgCl2也僅能使淌度值略有增加,這是Mg2+或Mg(OH)+產(chǎn)生特性吸附所致.Na2SO4不僅能顯著降低MMH膠粒的電泳淌度,濃度大于3×10-4mol/L時(shí)還能使膠粒的帶電性反轉(zhuǎn),表明SO2-4是MMH膠粒的特性吸附離子,其吸附過(guò)程伴隨著OH-的釋放,交換性吸附過(guò)程為:
2.2 電解質(zhì)對(duì)MMH/Mt懸浮體Bingham屈服值(YP)的影響
有關(guān)無(wú)機(jī)鹽對(duì)Mt懸浮體流變性質(zhì)的影響已有報(bào)道,對(duì)于相同濃度的CaCl2和NaCl,前者降低Bingham屈服值的能力明顯高于后者,并認(rèn)為這是由于Ca2+對(duì)Mt顆粒雙電層和顆粒間締合作用的影響較Na+更為強(qiáng)烈的緣故.我們?cè)?/SPAN>MMH/Mt體系中得到類似的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)NaCl、KCl和CaCl2降低YP的能力與K+、Na+、Ca2+影響粘土顆粒面-面締合能力的次序一致.但對(duì)于MMH/Mt體系,其凝膠結(jié)構(gòu)不僅取決于Mt顆粒間的締合,也取決于MMH與Mt顆粒間的相互作用.因此,對(duì)MMH產(chǎn)生強(qiáng)吸附性的物質(zhì)必然影響MMH/Mt復(fù)合體的形成,從而削弱MMH/Mt懸浮體的結(jié)構(gòu).
圖2Bingham屈服值與電解質(zhì)濃度的關(guān)系
圖2為Bingham屈服值與電解質(zhì)濃度的關(guān)系.從圖2可見,隨NaCl、Na2SO4和MgCl2濃度的增加,MMH/Mt體系的YP值均有所降低,其中以MgCl2對(duì)YP的影響最為顯著,加入很小量即能使YP大幅度降低,這也是由于Mg2+影響Mt顆粒面-面締合的緣故.從圖2還可看出,相同Na+濃度下Na2SO4降低YP的能力明顯高于NaCl,這是由于SO2-4能強(qiáng)烈吸附于MMH膠粒上,阻礙了MMH與Mt顆粒間復(fù)合體的形成,從而拆散了MMH/Mt懸浮體中的部分凝膠結(jié)構(gòu).SO2-4在MMH膠粒上的交換性吸附作用可從Na2SO4影響MMH膠粒的電泳淌度(圖1)和升高MMH溶膠的pH值得到證實(shí).
2.3 電解質(zhì)對(duì)MMH/Mt懸浮體pH值的影響
蒙脫土具有層狀結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)層荷負(fù)電,層間吸附交換性陽(yáng)離子可以平衡電性.MMH也具有層狀結(jié)構(gòu),但其結(jié)構(gòu)層荷正電,層間吸附交換性陰離子可以平衡電性.當(dāng)二者共存時(shí),Mt顆粒將與MMH膠粒相互作用形成復(fù)合體,并釋放出各自的電性平衡離子:
由于MMH與Mt相對(duì)比例及空間位阻的影響,MMH/Mt復(fù)合體中仍有大量電性平衡離子可供交換,圖3中MMH/Mt懸浮體pH值隨電解質(zhì)濃度的變化即說(shuō)明了這一點(diǎn).
從圖3可以看出,MMH/Mt懸浮體的pH值隨NaCl和MgCl2濃度的增加呈下降趨勢(shì),與KCl和CaCl2對(duì)pH值的影響結(jié)果一致.MMH/Mt懸浮體的pH值隨Na2SO4濃度的增加呈上升趨勢(shì),與MMH溶膠中加入Na2SO4的結(jié)果一致,而與Na2SO4對(duì)Mt懸浮體pH值的影響相反(125mmol/L的Na2SO4可使4%Mt懸浮體的pH值從9.92下降至9.41).電解質(zhì)對(duì)MMH/Mt懸浮體pH值的影響相當(dāng)復(fù)雜,由于電解質(zhì)的陰離子和陽(yáng)離子均參與了交換作用,pH值的變化取決于H+和OH-釋放量的相對(duì)大小.對(duì)于NaCl和MgCl2,由于Cl-對(duì)OH-的交換作用較差,主要以Na+、Mg2+交換MMH/Mt復(fù)合體中的H+為主,故懸浮體的pH值降低;而Mg2+的交換能力高于Na+,其降低pH值的能力自然要高于后者.Na2SO4使MMH/Mt懸浮體pH值的升高可歸因于SO2-4交換出的OH-多于Na+交換出的H+.
2.4 電解質(zhì)對(duì)MMH/Mt懸浮體濾失量的影響
濾失量(FL)的大小可反映出分散相的聚集狀態(tài),濾失量越小,分散性越好,濾失量越大,聚集越嚴(yán)重.圖4是Na2SO4、NaCl和MgCl2對(duì)MMH/Mt懸浮體FL的影響. Na2SO4濃度增加,FL急劇降低,表明粘土聚集程度減弱,這可能與SO2-4和MMH作用削弱了MMH對(duì)Mt的聚集作用有關(guān).從圖4還可看出,MgCl2濃度增加,FL有所上升,而NaCl對(duì)FL的影響不大,這與Na+和Mg2+影響粘土顆粒締合能力的次序一致.
2.5 CTAB對(duì)MMH/Mt懸浮體Bingham屈服值、濾失量和pH值的影響
將陽(yáng)離子表面活性劑加入粘土懸浮體中會(huì)發(fā)生陽(yáng)離子交換反應(yīng),粘土表面上的鈉和鈣離子被有機(jī)陽(yáng)離子取代,同時(shí)粘土粒子表面也會(huì)被碳?xì)滏湼采w,從而使粘土顆粒的潤(rùn)濕性發(fā)生反轉(zhuǎn),以致產(chǎn)生絮凝和水土分層,分離出的絮凝體經(jīng)烘干粉碎后成為在油相中分散的有機(jī)土.圖5是CTAB濃度對(duì)MMH/Mt懸浮體YP、FL和pH值的影響.
CTAB濃度增加,MMH/Mt懸浮體的pH值略有降低,而FL大幅度上升,YP急劇下降.CTAB在粘土上發(fā)生吸附,可交換出H+,致使pH值有所降低.同時(shí),粘土疏水性增加,粘粒間易發(fā)生絮凝,對(duì)自由水的滲透阻力也削弱,濾失量大幅度上升,而YP的降低則主要是由于CTAB對(duì)Mt親和性很強(qiáng),阻礙了MMH/Mt復(fù)合體的形成,從而削弱和拆散MMH/Mt懸浮體的凝膠結(jié)構(gòu).對(duì)比CTAB(圖5)與MgCl2(圖2～4)不難發(fā)現(xiàn),雖然CTAB降低MMH/Mt體系pH值的能力不如MgCl2,即發(fā)生陽(yáng)離子交換反應(yīng)的程度不及MgCl2,但其降低YP、升高FL的能力明顯高于MgCl2,這可能是由于Mg2+僅能中和Mt顆粒的負(fù)電荷,形成疊膠,而C16H33N+(CH3) 3不僅改變了Mt顆粒的荷電性能,而且能夠極大地削弱粘土顆粒的吸附水化膜,使之發(fā)生絮凝.
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