Технология модификации натриевого монтмоллилита, оборудование и 　 

По сравнению с монтмоллитом на кальциевой основе монтмоллит на натриевой основе обладает лучшими свойствами, такими как диспергируемость в воде, суспендируемость, набухаемость, загущающая способность и смазывающая способность, благодаря чему он имеет более широкое применение.

Однако подавляющая часть природных запасов бентонита в Китае представляет собой бентонит на кальциевой основе. Обычно в отрасли для повышения коэффициента набухания бентонита применяется метод натриевания с добавлением модифицирующих агентов в определенных условиях, что позволяет преобразовать кальциевую основу в натриевую.

Технология и оборудование для натриевой модификации монтмоллита

Существует множество способов натриевой модификации монтмоллита, которые обычно подразделяются на сухие, полусухие и влажные методы.

Поскольку в условиях сухого метода ионы с трудом мигрируют, что приводит к низкой эффективности модификации, чаще всего используются мокрый и полусухой методы, которые включают в себя перемешивание, измельчение в шаровой мельнице, гомогенизацию, прессование с натриеванием и т. д. Путем увеличения сдвиговых сил, уменьшения размера дисперсии и увеличения времени выдержки ускоряется процесс ионного обмена, повышается эффективность и степень реакции, что позволяет добиться желаемого эффекта модификации.

В лабораторных условиях наиболее распространенным методом модификации является натриевание с перемешиванием: монтмориллит и модификатор добавляются одновременно при приготовлении суспензии; после замачивания и приготовления суспензии следует обезвоживание, сушка и измельчение, в результате чего получается натриевый бентонит; этот метод часто используется в сочетании с очисткой мокрым способом. Этот метод предъявляет низкие требования к оборудованию, а сам процесс прост в реализации, однако линейная скорость перемешивающего оборудования низкая, а сдвиговое усилие небольшое. Хотя нагрев с помощью водяной бани в определенной степени ускоряет процесс ионного обмена, размер частиц монтмоллиона относительно крупный, что ограничивает эффективность модификации и приводит к неполному натриевому окислению.

Модификация в шаровой мельнице осуществляется за счет высокоскоростного вращения барабана, приводящего в движение мельничные шары, такие как алюминиевые и циркониевые шары. Под действием инерции и центробежной силы они поднимаются на определенную высоту, а затем падают, оказывая сильное ударное воздействие на измельчаемый материал; одновременно шарики-медиа в шаровой мельнице совершают вращение вокруг собственной оси и вокруг оси мельницы, в результате чего между шариками-медиа, а также между ними и стенками мельницы возникают силы сжатия, удара, сдвига и трения, действующие на материал. Под совместным воздействием этих сил частицы монтмоллита измельчаются, что способствует завершению реакции натриевания. Однако под влиянием скорости вращения шаровой мельницы, размера шариков-медиа и пределов измельчения размер частиц монтмоллита, модифицированного в шаровой мельнице, оказывается мельче, чем у образца, подвергнутого натриевой модификации путем перемешивания, но крупнее, чем у образца, модифицированного в коллоидной мельнице.

Как при модификации в коллоидной мельнице, так и при модификации в шаровой мельнице натриевая модификация монтмоллита осуществляется одновременно с его ультратонким измельчением. При модификации в коллоидной мельнице ротор и статор совершают относительное высокоскоростное движение; при прохождении через зазор между ними материал подвергается воздействию сильных сил трения, сдвига, спирального удара и высокочастотных колебаний, что обеспечивает его эффективное перемешивание, диспергирование и сверхтонкое измельчение. Обычно линейная скорость составляет 8–12 м/с, а размер частиц после обработки оказывается мельче, чем при модификации в шаровой мельнице.

Поскольку затраты на сушку при мокрой обработке высоки, в практическом производстве чаще используется полусухой метод натриевания. Обычно в сырой руду добавляют определённое количество раствора натрия, тщательно перемешивают, складывают в кучу на 7–10 дней и регулярно переворачивают и перемешивают; при этом эффективность натриевания низкая, а цикл длительный. Модификация с одновременным приложением определённого сдвигового усилия или использованием технологии микроволнового облучения позволяет повысить эффективность ионного обмена и сократить время реакции натриевания.

Распространенные проблемы при натриевой модификации монтмоллита

Распространенные методы натриевой модификации, как правило, сопряжены со следующими проблемами:

(1) Длительное время натриевой модификации и неполнота реакции. В реальных производственных условиях натриевание монтмоллита на кальциевой основе обычно проводится при влажности более 10 %. Монтмоллит содержит большое количество адсорбированной и межслойной воды, что в определенной степени препятствует проникновению ионов натрия внутрь частиц монтмоллита. После контакта поверхности частиц с модифицирующим агентом образуется барьерный слой, из-за чего ионам натрия трудно проникать в межслойное пространство, что препятствует дальнейшему протеканию реакции ионного обмена, натриевание оказывается неполным, а время его проведения — длительным. Обычно барьерный слой разрушают путем увеличения давления или сильного сдвига, используя внешнее воздействие для принудительного проникновения ионов натрия в межслойное пространство монтмоллита, что способствует протеканию реакции ионного обмена.

(2) Двухвалентное железо в структуре не окислилось до трехвалентного. В октаэдрической решетке монтмоллита находится Al³⁺; когда Fe³⁺ вытесняет Al³⁺, он остается электрически нейтральным; когда Fe²⁺ вытесняет Al³⁺, он приобретает отрицательный заряд, и под действием кулоновских сил кристаллические слои сцепляются более плотно, количество расширяющихся слоев уменьшается, а способность к расширению снижается. Когда Fe²⁺ внутри кристаллов монтмоллита окисляется до Fe³⁺, большее количество перекрывающихся кристаллических слоев отделяется, доля расширяющихся слоев увеличивается, что повышает степень разбухания.

Метод улучшения эффективности натриевания обычно заключается в длительном складировании с целью выветривания и периодическом перемешивании: с одной стороны, в условиях естественного выветривания двухвалентное железо в монтмориллите медленно окисляется до трехвалентного, с другой — за счет увеличения времени ионы натрия постепенно проникают в межслойные пространства монтмориллита, способствуя медленному протеканию реакции натриевания; однако для этого часто требуется несколько месяцев или даже более полугода, что является очень длительным циклом.