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                瓜尔豆胶对凹凸棒石黏土胶体黏度的影响

                发布日期:2015-05-01 16:20:14
                凹凸棒石
                  凹凸棒石黏土具有分散性好⊙、耐高温、耐盐等特 点,是抗盐钴井泥浆的理想原料。我国凹凸棒石黏土 资源丰富,其中苏皖凹凸棒石黏土成矿带最为重要。 凹凸棒石黏土原矿的胶体黏度一般达不到石油工业 要求。在工业上通过添加辅料洳MgO、Mg(0%等) 和对辊挤压来提高凹凸棒石黏土的胶体黏度[1-2],但增 黏效果有限←。研究表明,有机改性法能显着改变凹凸 棒石表面性能[3],但有机添加对胶体性能影响的研究 较少。Harryman等发现添加马来酸酐与乙烯的水溶 性共聚物可使坡缕石黏土的造浆率提高1.5?2倍' Sawyer等提出了通【过添加MgO和瓜尔豆胶提高坡缕 石黏土造浆率的方法[5];但均未介绍添加的方法与制 浆工艺及相关的增黏机理分析。
                  
                  瓜尔豆胶是一种中性多糖,平均分子量高 (20?30万),其主链由界D甘露糖为单元联接而成, 侧链由↓单个《-D半乳糖组成,界D甘露糖与《-D半乳 糖之比1.5?2 : 1 [6]。瓜尔豆胶属于非离子型食品胶, 分子间斥力小,易结合成凝胶。由于瓜尔豆胶是黏度 最大〖的天然胶,且廉价、无环境危害,在工业领域广泛 使用。一方面,在油田化学和页岩气开发中利用表面 极性基团丰富和易于在矿物表面吸附的化学特征,常 作为水基压裂液的稠化剂,用以悬浮砂粒、充填裂缝, 使人工压⌒ 裂产生的地层裂缝不能完全闭合,以增加油 气产量[5-7];另一方面,利用其表面极性基团丰富、易 于在矿物表面吸附的化学特征,在矿石加工中被用作 抑制剂[8-9];瓜尔豆胶也与比表面积高的凹◥凸棒石有 着复杂的相互作用,在泥浆生产中应用前景■广阔。
                  
                  本研究通过对比实验,分析了瓜尔豆胶与坡缕石 纤维晶体间复杂的相互作用,探讨了制浆方法和瓜尔 豆胶添加量对凹凸棒石胶体黏度的影响。
                  
                  1实验部分1.1原料及试剂凹凸棒石,安徽省明美凹土公 司,经过对辊加工的原矿,样品为3?5 mm直径的片 状。X射线衍射≡分析(XRD)表明样品以凹凸棒石为 主,含少量石英杂质。X射线荧光光谱测试化学组 成(w/%)为:SiO2,62.8;Al2O3,10.8;MgO,13.1;CaO, 1.46;Fe2O3,5.09;K2O,1.27。试剂:瓜尔豆胶,74 叫 粉末,分析纯,阿拉丁试剂公司(上海)。
                  
                  1.2仪器设备多功能粉碎机,XS-02型,上海兆申 科技有♂限公司;高速搅拌机,GJ-3S型,青岛濃厚宏祥石油 机械制造有限公司;粉碎性搅拌机,美的MB255型搅 拌机,广东→美的生活电器制造有限公司;六速旋转黏 度计,ZNN-D6型,青岛鑫睿德石油仪器有限公司。
                  
                  1.3样品制▂备方法用多功能粉碎机将80 °C烘干 的片状凹凸棒石黏土样品粉碎,过150叫筛,称取6 份每份 100.00 g,分别加入 0 g、0.25 g、0.50 g、1.00 g、 1.50 g、2.00 g瓜尔豆胶粉末并充分混匀。粉末状瓜尔 豆胶与粉末状凹凸棒石黏土分散不好容易在制浆时 形成@瓜尔豆胶团聚物。
                  
                  1.4测试方法凹△凸棒石黏土 -瓜尔豆胶泥浆的制备@ 方法1:依 据国标GB/T 505-2010 [13]规定的方法,量取350 mL 饱和食盐水盛入高速搅拌机的 這是搅拌杯中,开启GJ-3S 型高速搅拌机边搅拌边加入20.00 g待测试样々品,以 (11000±300) r/min 的转速搅拌 20 min±15 s。
                  
                  凹凸棒石黏土 -瓜尔豆胶泥浆的制备方法2:量 取350 mL饱和食盐水倒入MB255搅拌机的搅拌杯 中,加入20.00 g待测试样々品,采用搅拌式刀头(4个搅 拌叶2片朝下,2片朝上)制浆。通过控制开机时间, 获得不同剪切♀时间的悬浮液。
                  
                  黏度测试:使用六速旋转黏度计测试,将搅拌好 的悬浮液转移至確沒有什么特別六速黏度计的黏度杯中,读取转速为 600 r/min时黏度计指针的刻度值(《),《/2即为□所测悬 浮∴液的表观黏度(mPa-s)。
                  
                  筛余量测试:参照GB/T 505-2010 [1。],将0.20g六 偏磷酸︻钠溶于350 mL蒸馏水中,加入10.00 g测试样 品,在GJ-3S型高速搅拌器上搅拌30 min。随后将浆 体及不溶物转移至74 pm筛盘中,用压力为(69±7) kPa 的水流冲洗2 min±30 s,再将筛余物转移至已称重的 蒸发皿中,在(105±3) C烘箱中烘干至恒重,计算筛余 物的质量,该∮质量与测试样品质量(即10.00 g)百分比 即为筛余量。同时,分戰書别测试使用MB255型搅拌机工 作60 s和180 s时制备悬浮液筛余量。
                  
                  透射电子显微镜测试:使用蒸馏№水、GJ-3S型高 速搅拌机制备的胶体,取少量胶体并经适当稀释后超 声震荡。然▃后将稀释液滴到铜网上,干燥后使用日本 电子JEM-2100型透射电子显微镜进行观察。
                  
                  2结果与讨论2.1制浆条件的▅影响制浆条件是指制浆时所选用 的不同剪切力的设备和该设备的运转时间。制浆条 件的改变⊙会引起胶体黏度、筛余量等指标的变化,并 由此反映影响把洪東天包圍了起來胶体黏度的因素。
                  
                  2.1.1制浆条件与黏度的关系:MB255搅拌机制浆 时间对胶』体黏度的影响,见图1。由图1可见,使用 MB255型見過掌教搅拌机制浆①60 s以上获得的胶体黏度比用 GJ-3S型高速搅拌机制浆20 mm (图1中横坐标为0 秒时)获得的胶体更高。将MB255型搅拌机的制浆 时间延长至120 s时,胶体黏度继续增加。继续增加 制浆时间胶▓体黏度会达到最大值并且不再受制浆时 间影响。瓜尔豆胶添加量为1%的样品,使用MB255 型搅拌机制浆时间为120 s时胶体黏度已经达到最大 值,而瓜尔豆胶添加量为0.5%的样品最佳制备时∮间 较长,其它样品在180 s时即可获得黏度最高的胶体。 在一↘定程度上,制浆时间影响着胶体黏度。
                  
                  豆胶时凹凸棒石黏土胶体的胶体黏宮殿之中度为16.5 mPa-s, 瓜尔豆胶添加量为0.5%时胶体︾黏度达到最大值 20 mPa.s,而添加量▆为1%、1.5%和2%时胶体黏度分 别降低到 17、10.5 和 13.5 mPa-s。
                  
                  图3不同制∩浆方法下瓜尔豆胶添加量与胶体黏度正是我們关系 2.2.2瓜尔豆胶添加量与筛余量的关系:不同制浆方 法下瓜尔豆胶添加◥量与筛余量的关系,见图4。由图 4可见,在同种制浆条件下筛余量均随着瓜尔豆胶添 加量的增加而增加,瓜尔豆胶添加◢量超过1%后这种 增加更明显。使用GJ-3S型高速搅拌机制浆,未添加 瓜尔豆胶的胶体筛余量为3.4%,添加量为1%时筛余 量增加到4.9%,而添加量为〓1.5%和2%时胶体筛余 量分别增↑加到了 7.7%和8.0%;使用MB255型搅拌 机制浆60 s,筛余量从未添加瓜尔豆胶时的1.6%逐 渐增加到添加量为2%时的4.0%;使用MB255型搅 拌机制浆180 s,筛余量均小于1%,但瓜尔豆胶添加 量2%时的筛余量仍然高于其它组样品。
                  
                  图4不同制浆方法下瓜尔豆胶添加量与筛余量关系 2.3结果分析实验使用了两种制浆设备,其中GJ- 3S型高速♂搅拌机的搅拌转子(刀头)为水平展布的圆 片,叶片为直径25 mm,略带单正弦波形的原片,叶片 对泥浆的剪切力相对较小。按照GB/T 505-2010制浆 方法,只能使用GJ-3S型高∏速搅拌机搅拌20 mm。而 MB255型粉碎性搅拌机使用的刀头为高低排布的四 叶刀片,直径45 mm,转子对泥浆剪切作用相对大得 多,对黏土制浆能力明显我已經打入他强于GJ-3S型高速搅拌机。 不同制浆设备和制浆条件代表了她剪切力的变◆化。剪 切力通过两个方面在制浆过程中发挥作用。更强大 的剪切力可将纤维状凹凸棒石晶体的聚合体(晶束) 打开成众多单↙晶,从而增加泥浆黏度[11]。高强度剪切力的另一个作用是将未分散的瓜尔豆胶团聚物打散, 从而使投加的瓜尔豆胶最大化成胶,增加泥浆黏度。
                  
                  实验证明MB255型搅拌机的高∑剪切力可将瓜尔 豆胶团聚物和杂质打散。在相同条件下相比GJ-3S 型高速搅拌机,使用MB255型搅拌机60 s制备的凹凸 棒石黏土胶体具有更低的筛余量和更高√的黏度,延长 制浆至180 s能够进一步降低筛余量提高胶体黏度。
                  
                  瓜尔胶遇水易形成凝胶,同时瓜尔豆㊣ 胶多糖与凹 凸棒石表面羟基产生的氢键可使瓜尔豆天璣子看胶吸附在凹 凸棒石晶体表面,瓜尔豆胶胶体由桥状连接的多糖高 分●子构成框架,散布在凹凸棒石晶体之间,这种结构 增加了凹凸棒石与多糖交联程度,提 轟高了胶体黏度。 添加瓜尔豆胶前后凹凸棒石透射电子显微镜照片,见 图5。由图5可看出,未添加瓜尔豆胶的凹◥凸棒石胶々 体稀释超声震荡30 mm后能够分散开,并∞且可以清晰 的看到离散开的纤维束(图5a、图5b),而添加1%瓜 尔豆胶后的凹凸棒石在超声震荡2 h条件下依然紧紧 交联在一起(图5c、图5d),几乎观察不到分散开的晶 束。当瓜尔豆胶分散不均匀或☉添加过量时会聚集成 较大颗粒而絮凝。添加过量瓜尔豆胶后出现的胶体 黏度降低和筛余量增加现象是胶体絮凝所致。
                  
                  图5 添加瓜尔豆胶前(a、b)后(c、d)的凹凸棒石 透射电子显微镜照片按照国标GB/T 505-2010的规定,筛余物只能是 颗粒直径※大于74 jum的石英等杂质碎屑。由于添加 了瓜尔豆胶,无法通过74 jum的那部分筛余量也可能 是未分散的瓜尔豆胶团聚物。
                  
                  筛余量▓仅能表征大于74 um的絮凝体的含量而 不能完全反映胶体的絮凝情况。MB255型搅拌机制 浆时间延长至180 s时,胶体筛楊空行憤怒嘶吼余量在0.2%?0.8%之 间,而胶体黏度仍然随着瓜尔豆胶添∩加量的增加先升 高后降低,胶体絮凝现象依然存在。
                  
                  3结论添加瓜Ψ 尔豆胶能增加凹凸棒石(下转第11页)
                  
                  -^r100806040%/掰龌窖BH图7各种材料脱汞活性比较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元素的减少,Mn元素的增加,Hg0的去除效 率出现了先上升后下降的趋势,Mo(1)-Mn(3)-ATP复 合材料的去除率最高,为96°%。主要是由于在复合★材 料中,Mo元素主要是抗SO2干扰,MnOx是催化氧化 使Hg0转化为Hg2+,进而便于吸附去除。当Mo/Mn 比从1 : 1降低到1 : 3的过程中,随着MnOx量的增 加,比表面积增加,去除效率提高;当Mo/Mn比继续 降低,材料中Mo元素的含量ζ大幅降低,抗SO2干扰 的能力下降,由于SO2的干扰使Hg0向Hg2+的转化 率降低,Hg0去除效率〖下降。
                  
                  3结论1.各种表征结果显示,经负载和冻干-焙烧变温 致孔处理制靴子朝狠狠踩下得的Mo-Mn-ATP复合材料,在保持凹土 原有晶体结构及贯穿孔道的基础上,随着Mo/Mn摩 尔比的ζ 减小,材料的㊣比表面积增大; (上接第7页)胶体黏度,但过量添加会导致胶体 絮凝从這千秋子倒是好算計而降低胶体黏度,提高筛余量。使用剪切力更 强的制』浆方法能增加胶体黏度降低筛余量。
                  
                  高剪切力搅拌机有助于凹凸棒石分散成胶,高剪 切力搅拌机对瓜尔豆胶絮凝体有一定的○破坏作用,能 够降低筛余量。但机械破碎不能从根本上改变胶体 絮凝情况,使用高剪切力搅拌机不能改变瓜尔豆胶添 加量与胶体黏度之间的变化关系。
                  
                  用筛余量表征胶体的絮凝情况具有一定【局限性, 筛余量不能完全表征胶体的絮凝情况,更适合表征较 大颗粒的絮凝体。