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      瓜爾豆膠產品中心 / Product Center

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      瓜爾豆膠對凹凸棒石黏土膠體黏度的影響

      發布日期:2015-05-01 16:20:14
      凹凸棒石
        凹凸棒石黏土具有分散性好、耐高溫、耐鹽等特 點,是抗鹽鈷井泥漿的理想原料。我國凹凸棒石黏土 資源豐富,其中蘇皖凹凸棒石黏土成礦帶最為重要。 凹凸棒石黏土原礦的膠體黏度一般達不到石油工業 要求。在工業上通過添加輔料洳MgO、Mg(0%等) 和對輥擠壓來提高凹凸棒石黏土的膠體黏度[1-2],但增 黏效果有限。研究表明,有機改性法能顯著改變凹凸 棒石表面性能[3],但有機添加對膠體性能影響的研究 較少。Harryman等發現添加馬來酸酐與乙烯的水溶 性共聚物可使坡縷石黏土的造漿率提高1.5?2倍' Sawyer等提出了通過添加MgO和瓜爾豆膠提高坡縷 石黏土造漿率的方法[5];但均未介紹添加的方法與制 漿工藝及相關的增黏機理分析。
        
        瓜爾豆膠是一種中性多糖,平均分子量高 (20?30萬),其主鏈由界D甘露糖為單元聯接而成, 側鏈由單個《-D半乳糖組成,界D甘露糖與《-D半乳 糖之比1.5?2 : 1 [6]。瓜爾豆膠屬于非離子型食品膠, 分子間斥力小,易結合成凝膠。由于瓜爾豆膠是黏度 最大的天然膠,且廉價、無環境危害,在工業領域廣泛 使用。一方面,在油田化學和頁巖氣開發中利用表面 極性基團豐富和易于在礦物表面吸附的化學特征,常 作為水基壓裂液的稠化劑,用以懸浮砂粒、充填裂縫, 使人工壓裂產生的地層裂縫不能完全閉合,以增加油 氣產量[5-7];另一方面,利用其表面極性基團豐富、易 于在礦物表面吸附的化學特征,在礦石加工中被用作 抑制劑[8-9];瓜爾豆膠也與比表面積高的凹凸棒石有 著復雜的相互作用,在泥漿生產中應用前景廣闊。
        
        本研究通過對比實驗,分析了瓜爾豆膠與坡縷石 纖維晶體間復雜的相互作用,探討了制漿方法和瓜爾 豆膠添加量對凹凸棒石膠體黏度的影響。
        
        1實驗部分1.1原料及試劑凹凸棒石,安徽省明美凹土公 司,經過對輥加工的原礦,樣品為3?5 mm直徑的片 狀。X射線衍射分析(XRD)表明樣品以凹凸棒石為 主,含少量石英雜質。X射線熒光光譜測試化學組 成(w/%)為:SiO2,62.8;Al2O3,10.8;MgO,13.1;CaO, 1.46;Fe2O3,5.09;K2O,1.27。試劑:瓜爾豆膠,74 叫 粉末,分析純,阿拉丁試劑公司(上海)。
        
        1.2儀器設備多功能粉碎機,XS-02型,上海兆申 科技有限公司;高速攪拌機,GJ-3S型,青島宏祥石油 機械制造有限公司;粉碎性攪拌機,美的MB255型攪 拌機,廣東美的生活電器制造有限公司;六速旋轉黏 度計,ZNN-D6型,青島鑫睿德石油儀器有限公司。
        
        1.3樣品制備方法用多功能粉碎機將80 °C烘干 的片狀凹凸棒石黏土樣品粉碎,過150叫篩,稱取6 份每份 100.00 g,分別加入 0 g、0.25 g、0.50 g、1.00 g、 1.50 g、2.00 g瓜爾豆膠粉末并充分混勻。粉末狀瓜爾 豆膠與粉末狀凹凸棒石黏土分散不好容易在制漿時 形成瓜爾豆膠團聚物。
        
        1.4測試方法凹凸棒石黏土 -瓜爾豆膠泥漿的制備方法1:依 據國標GB/T 505-2010 [13]規定的方法,量取350 mL 飽和食鹽水盛入高速攪拌機的攪拌杯中,開啟GJ-3S 型高速攪拌機邊攪拌邊加入20.00 g待測試樣品,以 (11000±300) r/min 的轉速攪拌 20 min±15 s。
        
        凹凸棒石黏土 -瓜爾豆膠泥漿的制備方法2:量 取350 mL飽和食鹽水倒入MB255攪拌機的攪拌杯 中,加入20.00 g待測試樣品,采用攪拌式刀頭(4個攪 拌葉2片朝下,2片朝上)制漿。通過控制開機時間, 獲得不同剪切時間的懸浮液。
        
        黏度測試:使用六速旋轉黏度計測試,將攪拌好 的懸浮液轉移至六速黏度計的黏度杯中,讀取轉速為 600 r/min時黏度計指針的刻度值(《),《/2即為所測懸 浮液的表觀黏度(mPa-s)。
        
        篩余量測試:參照GB/T 505-2010 [1。],將0.20g六 偏磷酸鈉溶于350 mL蒸餾水中,加入10.00 g測試樣 品,在GJ-3S型高速攪拌器上攪拌30 min。隨后將漿 體及不溶物轉移至74 pm篩盤中,用壓力為(69±7) kPa 的水流沖洗2 min±30 s,再將篩余物轉移至已稱重的 蒸發皿中,在(105±3) C烘箱中烘干至恒重,計算篩余 物的質量,該質量與測試樣品質量(即10.00 g)百分比 即為篩余量。同時,分別測試使用MB255型攪拌機工 作60 s和180 s時制備懸浮液篩余量。
        
        透射電子顯微鏡測試:使用蒸餾水、GJ-3S型高 速攪拌機制備的膠體,取少量膠體并經適當稀釋后超 聲震蕩。然后將稀釋液滴到銅網上,干燥后使用日本 電子JEM-2100型透射電子顯微鏡進行觀察。
        
        2結果與討論2.1制漿條件的影響制漿條件是指制漿時所選用 的不同剪切力的設備和該設備的運轉時間。制漿條 件的改變會引起膠體黏度、篩余量等指標的變化,并 由此反映影響膠體黏度的因素。
        
        2.1.1制漿條件與黏度的關系:MB255攪拌機制漿 時間對膠體黏度的影響,見圖1。由圖1可見,使用 MB255型攪拌機制漿60 s以上獲得的膠體黏度比用 GJ-3S型高速攪拌機制漿20 mm (圖1中橫坐標為0 秒時)獲得的膠體更高。將MB255型攪拌機的制漿 時間延長至120 s時,膠體黏度繼續增加。繼續增加 制漿時間膠體黏度會達到最大值并且不再受制漿時 間影響。瓜爾豆膠添加量為1%的樣品,使用MB255 型攪拌機制漿時間為120 s時膠體黏度已經達到最大 值,而瓜爾豆膠添加量為0.5%的樣品最佳制備時間 較長,其它樣品在180 s時即可獲得黏度最高的膠體。 在一定程度上,制漿時間影響著膠體黏度。
        
        豆膠時凹凸棒石黏土膠體的膠體黏度為16.5 mPa-s, 瓜爾豆膠添加量為0.5%時膠體黏度達到最大值 20 mPa.s,而添加量為1%、1.5%和2%時膠體黏度分 別降低到 17、10.5 和 13.5 mPa-s。
        
        圖3不同制漿方法下瓜爾豆膠添加量與膠體黏度關系 2.2.2瓜爾豆膠添加量與篩余量的關系:不同制漿方 法下瓜爾豆膠添加量與篩余量的關系,見圖4。由圖 4可見,在同種制漿條件下篩余量均隨著瓜爾豆膠添 加量的增加而增加,瓜爾豆膠添加量超過1%后這種 增加更明顯。使用GJ-3S型高速攪拌機制漿,未添加 瓜爾豆膠的膠體篩余量為3.4%,添加量為1%時篩余 量增加到4.9%,而添加量為1.5%和2%時膠體篩余 量分別增加到了 7.7%和8.0%;使用MB255型攪拌 機制漿60 s,篩余量從未添加瓜爾豆膠時的1.6%逐 漸增加到添加量為2%時的4.0%;使用MB255型攪 拌機制漿180 s,篩余量均小于1%,但瓜爾豆膠添加 量2%時的篩余量仍然高于其它組樣品。
        
        圖4不同制漿方法下瓜爾豆膠添加量與篩余量關系 2.3結果分析實驗使用了兩種制漿設備,其中GJ- 3S型高速攪拌機的攪拌轉子(刀頭)為水平展布的圓 片,葉片為直徑25 mm,略帶單正弦波形的原片,葉片 對泥漿的剪切力相對較小。按照GB/T 505-2010制漿 方法,只能使用GJ-3S型高速攪拌機攪拌20 mm。而 MB255型粉碎性攪拌機使用的刀頭為高低排布的四 葉刀片,直徑45 mm,轉子對泥漿剪切作用相對大得 多,對黏土制漿能力明顯強于GJ-3S型高速攪拌機。 不同制漿設備和制漿條件代表了剪切力的變化。剪 切力通過兩個方面在制漿過程中發揮作用。更強大 的剪切力可將纖維狀凹凸棒石晶體的聚合體(晶束) 打開成眾多單晶,從而增加泥漿黏度[11]。高強度剪切力的另一個作用是將未分散的瓜爾豆膠團聚物打散, 從而使投加的瓜爾豆膠最大化成膠,增加泥漿黏度。
        
        實驗證明MB255型攪拌機的高剪切力可將瓜爾 豆膠團聚物和雜質打散。在相同條件下相比GJ-3S 型高速攪拌機,使用MB255型攪拌機60 s制備的凹凸 棒石黏土膠體具有更低的篩余量和更高的黏度,延長 制漿至180 s能夠進一步降低篩余量提高膠體黏度。
        
        瓜爾膠遇水易形成凝膠,同時瓜爾豆膠多糖與凹 凸棒石表面羥基產生的氫鍵可使瓜爾豆膠吸附在凹 凸棒石晶體表面,瓜爾豆膠膠體由橋狀連接的多糖高 分子構成框架,散布在凹凸棒石晶體之間,這種結構 增加了凹凸棒石與多糖交聯程度,提高了膠體黏度。 添加瓜爾豆膠前后凹凸棒石透射電子顯微鏡照片,見 圖5。由圖5可看出,未添加瓜爾豆膠的凹凸棒石膠 體稀釋超聲震蕩30 mm后能夠分散開,并且可以清晰 的看到離散開的纖維束(圖5a、圖5b),而添加1%瓜 爾豆膠后的凹凸棒石在超聲震蕩2 h條件下依然緊緊 交聯在一起(圖5c、圖5d),幾乎觀察不到分散開的晶 束。當瓜爾豆膠分散不均勻或添加過量時會聚集成 較大顆粒而絮凝。添加過量瓜爾豆膠后出現的膠體 黏度降低和篩余量增加現象是膠體絮凝所致。
        
        圖5 添加瓜爾豆膠前(a、b)后(c、d)的凹凸棒石 透射電子顯微鏡照片按照國標GB/T 505-2010的規定,篩余物只能是 顆粒直徑大于74 jum的石英等雜質碎屑。由于添加 了瓜爾豆膠,無法通過74 jum的那部分篩余量也可能 是未分散的瓜爾豆膠團聚物。
        
        篩余量僅能表征大于74 um的絮凝體的含量而 不能完全反映膠體的絮凝情況。MB255型攪拌機制 漿時間延長至180 s時,膠體篩余量在0.2%?0.8%之 間,而膠體黏度仍然隨著瓜爾豆膠添加量的增加先升 高后降低,膠體絮凝現象依然存在。
        
        3結論添加瓜爾豆膠能增加凹凸棒石(下轉第11頁)
        
        -^r100806040%/掰齷窖BH圖7各種材料脫汞活性比較A: ATP; B: Mo(1)-Mn(1)-ATP(10%); C: Mo(1)-Mn(2)-ATP(10%); D: Mo(1)-Mn(3)-ATP(10%); E: Mo(1)-Mn(5)-ATP(10%)
        
        料中Mo元素的減少,Mn元素的增加,Hg0的去除效 率出現了先上升后下降的趨勢,Mo(1)-Mn(3)-ATP復 合材料的去除率最高,為96°%。主要是由于在復合材 料中,Mo元素主要是抗SO2干擾,MnOx是催化氧化 使Hg0轉化為Hg2+,進而便于吸附去除。當Mo/Mn 比從1 : 1降低到1 : 3的過程中,隨著MnOx量的增 加,比表面積增加,去除效率提高;當Mo/Mn比繼續 降低,材料中Mo元素的含量大幅降低,抗SO2干擾 的能力下降,由于SO2的干擾使Hg0向Hg2+的轉化 率降低,Hg0去除效率下降。
        
        3結論1.各種表征結果顯示,經負載和凍干-焙燒變溫 致孔處理制得的Mo-Mn-ATP復合材料,在保持凹土 原有晶體結構及貫穿孔道的基礎上,隨著Mo/Mn摩 爾比的減小,材料的比表面積增大; (上接第7頁)膠體黏度,但過量添加會導致膠體 絮凝從而降低膠體黏度,提高篩余量。使用剪切力更 強的制漿方法能增加膠體黏度降低篩余量。
        
        高剪切力攪拌機有助于凹凸棒石分散成膠,高剪 切力攪拌機對瓜爾豆膠絮凝體有一定的破壞作用,能 夠降低篩余量。但機械破碎不能從根本上改變膠體 絮凝情況,使用高剪切力攪拌機不能改變瓜爾豆膠添 加量與膠體黏度之間的變化關系。
        
        用篩余量表征膠體的絮凝情況具有一定局限性, 篩余量不能完全表征膠體的絮凝情況,更適合表征較 大顆粒的絮凝體。
       
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