[发明专利]粘土的活化方法和活性粘土

说明书

本发明涉及一种活化蒙脱石粘土的方法和利用该法获得的活性蒙脱石粘土。尤其涉及能使蒙脱石粘土在溶有无机电解质的非水溶液中可膨胀和/或可分散的方法，像卤水(如海水)或水泥/水体系(如砂浆或混凝土)，该体系是不能使蒙脱石粘土膨胀的。同时也涉及利用该法获得的活性蒙脱石粘土。

主要含有矿物粘土蒙脱石的皂土(膨润土)是典型的蒙脱石粘土。它在水中具有显著的膨胀能力或分散特性，在用水膨胀时，它的体积要比它原有的体积增长几倍，形成一种半固体的凝胶或高粘度的胶态分散体。然而，皂土呈现如此高的膨胀能力和分散特性的介质只限于不含有或含有很少电解质的淡水体系。同时，还没有一种技术能使蒙脱石粘土，像皂土，在含有高浓度无机电解质的电解质水溶液中进行膨胀，像卤水(如海水)，砂浆/水体系或混凝土/水体系。在这样一个电解质水溶液中分散蒙脱石粘土如皂土的传统方法包括用淡水使蒙脱石粘土膨胀，随后分散，同时在分散体中添加一种阴离子表面活性剂，如烷基硫酸钠、烷烃磺酸钠或腐殖酸钠；缩合磷酸盐，像焦磷酸四钠或六偏磷酸钠；或聚合电解质，像聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺的部分水解产物，以提高粘土颗粒间的静电斥力，以此使颗粒分散成胶体颗粒。由于以这种方式获得的分散，粘度不够，通常的实践是，当需要高粘度时，添加大量昂贵物质提高其粘度以达到所需要的水平，像添加黄原胶(Xanthan gun)。目前还没有办法让蒙脱石粘土在电解质水溶液中充分显示它的特征的膨胀能力。例如，Nature,Vol.173，No.4397，pp.255-256(1954)公开一篇文章，题目是“蒙脱石的结晶膨胀-利用电解质控制膨胀”，该文章阐述：钠型蒙脱石在浓度不低于0.3N(以质量计约1.8％)的氯化钠水溶液中膨胀是有限的结晶膨胀。

而在工业中优选使用的蒙脱石粘土的特性是称之为渗透膨胀，这种膨胀伴随着显著的体积膨胀，远远超出了结晶膨胀。由于电解质在胶体颗粒上的脱水效应和电荷中和效应，蒙脱石粘土不能在电解质水溶液中呈现出渗透性膨胀。

S.Olejnik,A.M.Posner和J.P.Quirk,Clays and Clay Mine-rals,Vol.22，pp.361-365(1974)中介绍了蒙脱石在极性有机液体中膨胀的试验，这种极性有机液的偶极矩与水相接近，并且它的相对介电常数比水高，报导蒙脱石只在甲酰胺HCO-NH₂和N-甲基甲酰胺HCO-NH(CH₃)中呈现出渗透性膨胀。然而，本发明证实这些液体对于活化蒙脱石粘土使之在电解质水溶液中呈现出渗透性膨胀没有作用。这些有较高的相对介电常数的有机溶剂是质子型溶剂，这一点从它们的分子式看很明显，因此可假定其作用就象水对电解质一样。

用长链脂肪铵离子如十八(烷)基铵离子对皂土进行阳离子交换处理获得的有机铵皂土，可用添加低分子量高极性物质像甲醇或乙醇激活，因此用有机液体基本上可以使其膨胀，正如在R.E.Grim,Clay Mineralogy,P.266,MoGraw-Hill Book CO.,Ino.,(1953)中所报导的。今天，有机铵皂土，称为亲有机物质的皂土，在商业上用来作为有机溶剂型涂料或印刷墨汁的增稠剂，或作为润滑油的胶凝剂，商品名称为“Organite”(由Nihon Yuki Nendo k.k.制造)，“s-Ben”(由Nihon Yuke Nendo k.k.制造)，“Orben”(由Shiraishi Kogyo k.k.制造)，“Bentone”(由Rheox Inc.,U.S.A.制造)，或者“Claytone”(由Southern Clay Products,Inc.制造)。在使用这些亲有机物质的皂土时，与高极性添加剂，像甲醇、乙醇、丙酮或碳酸1，2-亚丙酯的结合使用，已被广泛采用。然而由于完全是斥水的，亲有机物质的皂土仅仅可用于中极性至低极性的有机液体，像溶剂油(mineral spirit)、甲苯、二甲苯、邻苯二甲酸二辛酯，和石油润滑油，并且在电解质水溶液像卤水或水泥泥浆中，基本上是不可湿的、不膨胀的，也是不分散的。

皂土在淡水体系内的膨胀能力和胶态分散性已被用作民用工程中土地钻探稳定流体或者已被用作油井、地热井、一般井等钻探中的钻探流体。然而，在大陆架或沿海区域进行海岸钻探中，皂土的土地钻探稳定流体或钻探流体在与咸的地下水(即海水)相接触时，会严重恶化变质。