粘土矿物实用学习教案

会计学1第一页，共83页。 粘土矿物的两种基本粘土矿物的两种基本(jbn)(jbn)构造单元构造单元第1页/共83页第二页，共83页。 硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见右图上。 硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络(wnglu)。硅氧四面体网络(wnglu)由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见右下图。一、粘土矿物的两种基本构造一、粘土矿物的两种基本构造(guzo)单元单元第2页/共83页第三页，共83页。 铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子(yunz)团，铝、铁或镁原子(yunz)居于八面体中央(如右上图所示)。 铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的O或OH连接而成的AL-O八面体网络。第3页/共83页第四页，共83页。OOHSi-OAl-O第4页/共83页第五页，共83页。氧原子氧原子Si-OAl-OSi-O第5页/共83页第六页，共83页。C晶层间距晶层间距(jin j)C：一个晶层到相临晶层的垂直距离。：一个晶层到相临晶层的垂直距离。层间域：相邻层间域：相邻(xin ln)晶层之间的空间晶层之间的空间层间物：层间域中的物质层间物：层间域中的物质(wzh)单位构造：单位构造：晶层+层间域4、晶体：、晶体：单元晶层面面堆叠在一起形成晶体第6页/共83页第七页，共83页。（1 1）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外(ln wi)(ln wi) 阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。Si-O四面体：Al3+取代(qdi)Si4+Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代(qdi)Al3+ 粘土带负负电荷1 1、基本概念、基本概念第7页/共83页第八页，共83页。例例1 1：蒙脱石在不发生：蒙脱石在不发生(fshng)(fshng)晶格取代时，其理想结构式为：晶格取代时，其理想结构式为： Al4Si8O10 (OH)4.nH2O Al4Si8O10 (OH)4.nH2O 蒙脱石的实际(shj)结构式为： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O第8页/共83页第九页，共83页。例例2 2：伊利石在不发生晶格：伊利石在不发生晶格(jn )(jn )取代时，其理想结构式为：取代时，其理想结构式为： Al4 Al4（Si8O20Si8O20）（）（OHOH）4 4 伊利石的实际(shj)结构式为： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20第9页/共83页第十页，共83页。（2 2）阳离子交换）阳离子交换(jiohun)(jiohun)容量（容量（C.E.C) C.E.C) 定义定义(dngy)(dngy)：分散介质：分散介质PH=7PH=7时，时，100g100g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。说明：说明：C.E.CC.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少可用来表示粘土在水中带电性的多少(dusho)(dusho)，它与粘土的水化分散、吸附等性质密切相关。，它与粘土的水化分散、吸附等性质密切相关。第10页/共83页第十一页，共83页。（3）造浆率）造浆率造浆率粘土的水化分散(fnsn)能力定义定义(dngy)：一吨干粘土所能配制粘度为：一吨干粘土所能配制粘度为 15mPa.s的钻的钻 井液的体积数，井液的体积数，m3/T。说明说明(shumng)：第11页/共83页第十二页，共83页。高岭石晶体结构示意图（1 1）高岭石）高岭石第12页/共83页第十三页，共83页。A、1：1型粘土矿物B、几乎不存在晶格取代(qdi)，负电量少C、晶层间引力以氢键(qn jin)为主，引力强，晶层间距C=7.2Si-OAl-OOHO第13页/共83页第十四页，共83页。问题问题(wnt)：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？ 答：高岭石上下相临的层面，一面为答：高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一面为面，另一面为O面，而面，而O与与OH很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密(jnm)，水分子不易进入晶层。，水分子不易进入晶层。第14页/共83页第十五页，共83页。、造浆率低、造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力高岭石晶层间以氢键为主，引力(ynl)(ynl)较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低。第15页/共83页第十六页，共83页。Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O蒙脱石晶体结构示意图蒙脱石晶体结构示意图第16页/共83页第十七页，共83页。 A、2：1型粘土矿物型粘土矿物 B、存在晶格、存在晶格(jn )取代：取代位置主要在取代：取代位置主要在AL-O八面体中，即八面体中，即AL3+被被Mg2+、Fe2+和和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的等取代，产生的负电荷由等量的Na+或或Ca2+来平衡。来平衡。 C、晶层间引力、晶层间引力(ynl)以分子间力为主：引力以分子间力为主：引力(ynl)弱，晶层间距弱，晶层间距C=9.6- 40。第17页/共83页第十八页，共83页。问题问题(wnt)(wnt)：蒙脱石属膨胀型粘土矿物，为什么？：蒙脱石属膨胀型粘土矿物，为什么？ 蒙脱石上下相临的层面皆为O面，晶层间引力(ynl)以分子间力为主，层间引力(ynl)较弱，水分子易进入晶层。 蒙脱石由于晶格取代产生(chnshng)较多的负电荷，在它周围必然会吸附等电量的阳离子，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石膨胀。第18页/共83页第十九页，共83页。、造浆率高、造浆率高 蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入(jnr)晶层，引起蒙脱石水化膨胀。 蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量(shling)多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。 因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主要(zhyo)配浆材料。原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以C.E.C大。第19页/共83页第二十页，共83页。伊利石晶体结构示意图伊利石晶体结构示意图第20页/共83页第二十一页，共83页。伊利石特点伊利石特点(tdin) Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土矿物型粘土矿物B、存在、存在(cnzi)晶格取代，取代位置主要在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡。来平衡。C、晶层间引力、晶层间引力(ynl)以静电力为主，引力以静电力为主，引力(ynl)强，晶层间距强，晶层间距C=10。Al-OSi-OSi-O第21页/共83页第二十二页，共83页。 由于伊利石取代位置主要由于伊利石取代位置主要(zhyo)(zhyo)在在Si-OSi-O四面体中，产生四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与吸附的的负电荷离晶层表面近，与吸附的K+K+产生很强的静电力，层间产生很强的静电力，层间引力较强，水分子不易进入晶层引力较强，水分子不易进入晶层. . K+ K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，周围有周围有1212个氧与它配伍个氧与它配伍(piw)(piw)，起到连接作用，把相邻晶层拉，起到连接作用，把相邻晶层拉在一起，水分子不易进入晶层；在一起，水分子不易进入晶层；问题问题(wnt)：伊利石属非膨胀型粘土矿物：伊利石属非膨胀型粘土矿物, 为什么？为什么？第22页/共83页第二十三页，共83页。D、C.E.C 大介于大介于(ji y)高岭石与蒙脱石之间（高岭石与蒙脱石之间（20-40mmol/100g土土) 蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+K+来平衡，由于蒙脱石取代位置主要在来平衡，由于蒙脱石取代位置主要在Si-OSi-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面四面体中，产生的负电荷离晶层表面(biomin)(biomin)近，故与近，故与K+K+产生很强的静电力，产生很强的静电力， K+ K+不易交换下来。不易交换下来。 K+ K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有1212个氧与它配伍，因此，个氧与它配伍，因此， K+ K+连接通常连接通常(tngchng)(tngchng)非常牢固，不易交换下来。非常牢固，不易交换下来。、造浆率低、造浆率低第23页/共83页第二十四页，共83页。定义：粘土在自然界形成时发生晶格取代作用定义：粘土在自然界形成时发生晶格取代作用(zuyng)(zuyng)所产生的负电荷。所产生的负电荷。说明：说明：这种负电荷的数量取决于晶格取带作用的多少，而不受pH值的影响。因此，这种电荷被称为永久负电荷。 第二节第二节 粘土的电性粘土的电性第24页/共83页第二十五页，共83页。矿物名称 单位晶胞所带电荷数 个 高岭石 0 蒙脱石 0.25-0.6 伊利石 0.6-1 由于不同(b tn)粘土矿物晶格取代情况不同(b tn)，永久负电荷数量有很大差异，结果见下表：第25页/共83页第二十六页，共83页。定义定义(dngy)：随介质的：随介质的pH值改变而改变的粘所带负电荷的数量。值改变而改变的粘所带负电荷的数量。 产生产生(chnshng)原因：原因：（1）解离）解离(ji l)：在粘土晶体端面上连接的：在粘土晶体端面上连接的OH基中的基中的H在碱性或中性条件下解离在碱性或中性条件下解离(ji l)，因而使粘土带上可变负电荷，因而使粘土带上可变负电荷 Al-OH OH- Al-O- + H2O (2)吸附：吸附：粘土晶体的端面上吸附了某些阴离子，如：OH-、SiO3等，或吸附了有机阴离子聚电解质，如：PHP等。第26页/共83页第二十七页，共83页。第27页/共83页第二十八页，共83页。 产生原因：粘土中裸露在边缘产生原因：粘土中裸露在边缘(binyun)上的铝氧八面体在酸性条上的铝氧八面体在酸性条 件下从介质中解离出件下从介质中解离出OH-所致。所致。 Al-OH H+ Al+ + OH- 粘土晶体粘土晶体(jngt)的净电荷数：粘土的正电荷与负电荷的代数和。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘土一般都带负电荷。的净电荷数：粘土的正电荷与负电荷的代数和。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘土一般都带负电荷。第28页/共83页第二十九页，共83页。二、粘土带电(di din)量及影响因素 如上所述，在粘土形成过程中，粘土一般带负电荷。为了保持(boch)电中性，粘土必然从周围环境中吸附等量的阳离子。当粘土放在水中时，这些阳离子可以被水中的其它阳离子所交换，故称为可交换性阳离子。 可交换性阳离子越多，说明粘土(zhn t)所带的负电荷越多，因此，常用阳离子交换容量来表示粘土(zhn t)所带负电荷的多少。第29页/共83页第三十页，共83页。1、三种(sn zhn)常见粘土矿物的C.E.C矿物名称C.E.C高岭石3-15蒙脱石70-130伊利石20-40思考题：为什么伊利石单位(dnwi)晶胞所带负电荷比蒙脱石多， 而C.E.C却比蒙脱石小？第30页/共83页第三十一页，共83页。 粘土阳离子交换容量(rngling)大小的因素有三：粘土矿物的本性，粘土的分散度和分散介质的酸碱度。（1）粘土矿物的本性(bnxng) 晶格取代的数量晶格取代的位置吸附阳离子类型第31页/共83页第三十二页，共83页。结论结论(jiln)：对同种粘土矿物，分散度：对同种粘土矿物，分散度(或比表面或比表面)越大，越大，C.E.C越大。越大。原因：因而颗粒愈小，露在外面的氢氧根愈多，交换原因：因而颗粒愈小，露在外面的氢氧根愈多，交换(jiohun)容量显著增加，蒙脱石的阳离子交换容量显著增加，蒙脱石的阳离子交换(jiohun)主要是由于晶格取代所产生的电荷，由于裸露的氢的解离所产生的负电荷所占比例很小，因而受分散度的影响较小。而高岭石的阳离子交换主要是由于晶格取代所产生的电荷，由于裸露的氢的解离所产生的负电荷所占比例很小，因而受分散度的影响较小。而高岭石的阳离子交换(jiohun)主要是由于裸露的氢氧根中氢的解离产引起的，因而受分散度的影响较大。主要是由于裸露的氢氧根中氢的解离产引起的，因而受分散度的影响较大。第32页/共83页第三十三页，共83页。粒径/m40-2010-54-21-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.05C.E.C2.42.63.63.83.95.49.5高岭石高岭石C.E.C与颗粒与颗粒(kl)大小的关系大小的关系第33页/共83页第三十四页，共83页。第34页/共83页第三十五页，共83页。矿物名称带电原因（主）电荷分布单位晶胞电荷数（个）C.E.Cmmol/1000g土高岭石解离边缘很小30-150蒙脱石晶格取代AL-O八面体0.25-0.6700-1300伊利石晶格取代SI-O四面体0.6-1200-400第35页/共83页第三十六页，共83页。 一、定义：粘土吸水后体积增大一、定义：粘土吸水后体积增大(zn d)的性质。的性质。二、粘土矿物的水分二、粘土矿物的水分(shufn) 膨胀性是衡量粘土亲水性的指标。粘土亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水等三种类 型。 第36页/共83页第三十七页，共83页。(1)结晶水结晶水这种水是粘土矿物晶体构造 的一部分，只有温度高于300以上时，结晶(jijng)受到破坏，这部分水才能释放出来。(2)吸附水吸附水由于分子间引力和静电引力，具有极性的水分子可以吸附到带电的粘土表面上，在粘土颗粒周围(zhuwi)形成一层水化膜，这部分水随粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水。第37页/共83页第三十八页，共83页。三、粘土水化膨胀三、粘土水化膨胀(png zhng)作用的机理作用的机理 这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不受粘土的束缚，可以(ky)自由地运动。各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。第38页/共83页第三十九页，共83页。定义：由粘土晶体表面直接吸附定义：由粘土晶体表面直接吸附(xf)水分子和通过所吸附水分子和通过所吸附(xf)的可交换性阳离子间接吸附的可交换性阳离子间接吸附(xf)水分子而导致的水化。水分子而导致的水化。表面表面(biomin)水化机理水化机理直接水化：粘土表面通过氢键吸附水分子间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子第39页/共83页第四十页，共83页。(2)渗透渗透(shntu)水化水化 定义：由于定义：由于(yuy)晶层间阳离子浓度大于溶液内部晶层间阳离子浓度大于溶液内部 的阳离子浓度，因而发生水的浓差扩散，使水进入晶层，增加晶层间距，的阳离子浓度，因而发生水的浓差扩散，使水进入晶层，增加晶层间距， 使粘土膨胀。使粘土膨胀。 作用机理作用机理(j l)：浓差扩散：浓差扩散第40页/共83页第四十一页，共83页。(1)(1)粘土晶体粘土晶体(jngt)(jngt)的部位的部位粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度(hud)也不相同。粘土晶体所带的负电荷大部分都集中在层面上，于是吸附的阳离子也多。表面水化和渗透水化都较强，水化膜厚；在粘土晶体的端面上带电量较少，吸附的阳离子也少，故水化膜薄。第41页/共83页第四十二页，共83页。(2)(2)粘土矿物类型粘土矿物类型(lixng)(lixng)粘土矿物不同，水化作用的强弱(qin ru)也不同。蒙脱石晶层间作用力为分子间力，水易进入晶层，水化膨胀性好；高岭石晶层间作用力为氢键，水不易进入晶层，水化膨胀性差，分散度也低，是非膨胀性矿物；伊利石由于晶层间作用力为静电引力及晶层间K+的特殊作用也是非膨胀性矿物。钙蒙脱石水化后其晶层间距最大为1710-1nm，而钠蒙脱石水化后其晶层间距可达 17 10 -140 10 -1nm 。所以为了提高膨润土的水化性能，一般都需使钙蒙脱石转变为钠蒙脱石。第42页/共83页第四十三页，共83页。1、相：物理性质和化学性质、相：物理性质和化学性质(huxu xngzh)都完全相同的均匀部分。都完全相同的均匀部分。3. 相界面相界面(jimin)：相与相之间的接触面称为相界面：相与相之间的接触面称为相界面(jimin)。4.分散相分散相：在多相分散体系中，被分散的物质。 5.分散介质：分散介质：在多相分散体系中，包围分散相的另一相。2、多相体系：、多相体系：由两个或两个以上的相组成的体系。第43页/共83页第四十四页，共83页。 例子例子(l zi): 水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分 散相，水为分散介质。散相，水为分散介质。（1）分散度：分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均）分散度：分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均(pngjn) 直径或长度的倒数来表示。直径或长度的倒数来表示。aD1式中： D-分散度 a-用分散相颗粒平均直径(zhjng)或长度6、分散度和比表面、分散度和比表面第44页/共83页第四十五页，共83页。（2）比表面）比表面S比Sv (m-1) S比Sm (m2kg)S比比-比表面比表面S-分散相表面积分散相表面积m-分散相质量分散相质量(zhling)V-分散相体积分散相体积定义：单位质量定义：单位质量(zhling)（或单位体积）分散相的表面积。（或单位体积）分散相的表面积。 第45页/共83页第四十六页，共83页。细分散体系(tx)：S比104m2kg；a=1nm-1um ，如胶体粗分散(fnsn)体系：S比104m2kg；a=1-40um，如悬浮体钻井液钻井液是胶体和悬浮体的混合物，习惯上称为胶体分散体系。第46页/共83页第四十七页，共83页。 吸附吸附(xf)质：被吸附质：被吸附(xf)的物质的物质吸附吸附(xf)剂：吸附剂：吸附(xf)吸附吸附(xf)质的物质。质的物质。例子：例子：在钻井液中，粘土可从水中吸附钻井液处理剂，粘土为吸附剂，钻井液处理剂为吸附质。7. 吸附吸附第47页/共83页第四十八页，共83页。二、胶团的结构二、胶团的结构(jigu) 溶胶粒子的半径(bnjng)在1 nm-1000nm之间，所以每个溶胶粒子是由许多分子或原子聚集而成的。第48页/共83页第四十九页，共83页。例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI (AgI)m n I (n-x)K+x xK+ |_| |_| 胶核胶粒（带负电）胶团（电中性）胶核胶粒胶团过量过量(guling)的的 KI 作稳定剂，胶团的结作稳定剂，胶团的结构表达式构表达式 ： 第49页/共83页第五十页，共83页。过量(guling)的 AgNO3 作稳定剂， 胶团的结构表达式： (AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+ x NO3 |_| |_| 胶核胶粒（带正电）胶团（电中性）胶核胶粒胶团例2：AgNO3 + KIKNO3 + AgI第50页/共83页第五十一页，共83页。 当离于键固体从溶液中吸附当离于键固体从溶液中吸附(xf)离子时，若溶液中的离子能与固体中的异号离子形成难溶盐，则这种离子优先被吸附离子时，若溶液中的离子能与固体中的异号离子形成难溶盐，则这种离子优先被吸附(xf)。法杨斯法则法杨斯法则(fz)：第51页/共83页第五十二页，共83页。 定势离子：固体表面吸附的离子，该离子决定了溶胶离子的带电符号。 反离子：指为了保持(boch)溶胶体系的电中性定势离子周围吸附的符号相反的离子。胶核胶粒胶团第52页/共83页第五十三页，共83页。三、扩散双电层理论三、扩散双电层理论(lln)与电动电位与电动电位1、扩散双电层形成、扩散双电层形成(xngchng)与结构与结构 由于胶核吸附定势离子而带电，在其周围必然分布着电荷数相等的的反离于，这些(zhxi)反离子的运动受两个相反因素的制约：受到固体表面电荷的吸引，使其靠近固体表面由于反离子的热运动，又有使其扩散到液相内部去的趋势第53页/共83页第五十四页，共83页。 以上两种相反作用的结果，使得反离于扩散地分布在胶核周围，构成(guchng)扩散双电层。如下图所示。吸附层（ Stern层 ）：紧密(jnm)地排在固体表面附近的反离子层。扩散(kusn)层：按一定的浓度梯度扩散(kusn)到本体溶液中的反离子层。第54页/共83页第五十五页，共83页。 在胶粒运动时，吸附层随胶粒一起移动，而扩散(kusn)层的反离子则由于与定势离子的静电引力较弱，不跟随胶粒一起运动。滑动面（切动面）：吸附滑动面（切动面）：吸附(xf)层与扩散层错开的界面。层与扩散层错开的界面。第55页/共83页第五十六页，共83页。2、粘土、粘土(zhn t)胶体的双电层胶体的双电层 在蒙脱石和伊利石的晶格里，硅氧四面体晶片中部分Si4+可被Al3+取代，铝氧八面体晶片中部分Al3+可被Mg2+或Fe2+等取代。这种晶格取代作用造成(zo chn)粘土晶格表面上带永久负电荷，于是它们吸附等电量的阳离子(Na+、Ca2+和Mg2+等)。第56页/共83页第五十七页，共83页。 若将这些粘土(zhn t)放到水里，吸附的阳离子便解离，向外扩散，结果形成了胶粒带负电的扩散双电层。粘土(zhn t)表面上紧密地连接着一部分水分子(氢键连接)和部分带水化壳的阳离子，构成吸附溶剂化层（吸附层）；其余的阳离于带着它们的溶剂化水扩散地分布在液相中，组成扩散层，如215所示。第57页/共83页第五十八页，共83页。第58页/共83页第五十九页，共83页。3、双电层中的电位、双电层中的电位(din wi)（2）电动电位：从滑动(hudng)面到均匀液相内的电位。其大小取决于 固体表面电荷与吸附层内反离子电荷之差。（1）热力学电位：从固体(gt)表面到均匀液相内部的电位。热力学 电位决定于固体(gt)表面所带的总电荷。第59页/共83页第六十页，共83页。（3）影响双电层厚度与电动）影响双电层厚度与电动(din dn)电位的因素电位的因素双电层厚度(hud)公式：) 1 ()2(222yKenZKTy式中：介电常数德拜常数K电解质浓度n电解质的离子价数Z电子电荷e温度T第60页/共83页第六十一页，共83页。第61页/共83页第六十二页，共83页。 在溶液中加入电解质之后，扩散双电层厚度下降的原因是此时将有更多的反离子进入吸附附层，结果扩散层的离于数目下降，导致双电层厚度下降，电动(din dn)电位随之下降(即电解质压缩双电层的作用) 。当所加电解质把双电层压缩到吸附层厚度时，胶粒即不带电，此时电动(din dn)电位降至零，这种状态称为等电态。在等电态，胶体容易聚结。第62页/共83页第六十三页，共83页。C1C25um时，就没有布朗运动，悬浮体直径在1-40um，布朗运动很弱，因此(ync)，悬浮体是动力学上的不稳定体系。第67页/共83页第六十八页，共83页。（3）介质(jizh)粘度 根据斯托克斯定律，固体颗粒在液体(yt)介质中的下沉速度为：v =2r2(-0)g/9 式中： r-固体(gt)离子的半径 -固体(gt)的密度 0-分散介质的密度 -分散介质粘度固体颗粒的下沉速度v和 成反比，因此提高可提高动力稳定性。钻井液要求有适当的粘度，就是这个道理。第68页/共83页第六十九页，共83页。3、聚结、聚结(j ji)稳定性稳定性（1）聚结）聚结(j ji)稳定性理论（稳定性理论（DLVO理论）理论） 溶胶离子之间存在两种相反的作用力：引力和斥力。如果胶体颗粒(kl)在布朗运动中相互碰撞时，引力大于斥力，溶胶就聚结；反之，当斥力大于引力时，粒子碰撞后又分开了，保持其分散状态。第69页/共83页第七十页，共83页。粒子粒子(lz)(lz)间引力间引力 ：范德华引力：范德华引力真空中两个球形溶胶粒子真空中两个球形溶胶粒子(lz)之间的范德华引力之间的范德华引力VA为：为：HAaVA12真空中两个平行板溶胶真空中两个平行板溶胶(rngjio)粒子之间的范德华引力粒子之间的范德华引力VA为：为：212DAVA式中： a-粒子半径A-哈马克（Hamaker)常数H-两球之间的最短距离式中： D-平板间距离第70页/共83页第七十一页，共83页。粒子粒子(lz)(lz)间斥力间斥力静电斥力静电斥力(chl)：由于扩散双电层使胶粒是带电引起的。：由于扩散双电层使胶粒是带电引起的。 水化膜斥力：胶粒是溶剂化的，在胶粒周围吸附一层水分子，且水分子在粒子周围定向排列。当胶粒相互靠近时，水化膜被挤压变形，但引起定向排列的引力，将力图使水分子恢复原来水化膜斥力：胶粒是溶剂化的，在胶粒周围吸附一层水分子，且水分子在粒子周围定向排列。当胶粒相互靠近时，水化膜被挤压变形，但引起定向排列的引力，将力图使水分子恢复原来(yunli)的定向排列。这样水化膜表现为弹性，成为胶粒接近的机械阻力。另外，水化膜中的水有较高的粘度，从而增加了胶体粒子间的机械阻力。这些阻力统称为水化膜斥力。的定向排列。这样水化膜表现为弹性，成为胶粒接近的机械阻力。另外，水化膜中的水有较高的粘度，从而增加了胶体粒子间的机械阻力。这些阻力统称为水化膜斥力。第71页/共83页第七十二页，共83页。两个平板两个平板(pngbn)形胶粒（如粘土胶体）之间的排斥力可由下式求得：形胶粒（如粘土胶体）之间的排斥力可由下式求得：VR与胶粒间距离d成指数(zhsh)关系（VR 1/e2Kd)，VR随的d的减少而趋于一极限值；当d=0时，VR不变。第72页/共83页第七十三页，共83页。 胶粒间吸引胶粒间吸引(xyn)(xyn)能与排斥能的总和能与排斥能的总和 溶胶粒子间的位能(winng)为吸引位能(winng)与排斥位能(winng)之和，若令位能(winng)为V，则有: V = VA + VR第73页/共83页第七十四页，共83页。说明：说明：A、横坐标表示两个粒子间的距离、横坐标表示两个粒子间的距离(jl)。B、纵坐标表示斥力能、纵坐标表示斥力能(正值正值)与吸引能与吸引能(负值负值)。C、vR表示斥力能曲线，表示斥力能曲线，VA表示吸力能曲线，表示吸力能曲线，B表示总位能曲线。表示总位能曲线。第74页/共83页第七十五页，共83页。位能位能(winng)随距离的变化规律：随距离的变化规律：A、当两个胶粒相距较远时，离子氛尚未重叠，粒子间的“远程”吸力能在起作用，即吸力能占优势，曲线(qxin)在横轴以下，总位能为负值。在第二(d r)极小值处，胶粒连接力较弱，呈絮凝状态，絮凝是可逆的。第75页/共83页第七十六页，共83页。B、随着距离的趋近，离子氛重叠，斥力能开始(kish)起作用，总位能逐渐上升为正值。当两个胶粒靠近到一定距离处，总位能达到最大，出现一个斥能峰E0 。D、当d 0时，VA ，引力随着粒子的接近而迅速增加。吸力能占优势，曲线在横轴以下，总位能为负值。出现(chxin)了第一极小值。在第一极小值处，胶粒连接(linji)力强，呈聚结状态，聚结是不可逆的。第76页/共83页第七十七页，共83页。（2）聚结）聚结(j ji)稳定性影响因素稳定性影响因素 胶体离子之间的引力能是永恒存在的，外界因素很难改变引力能的大小(dxio)，而斥力位能则可通过改变外界因素加以改变。电解质浓度电解质浓度(nngd) 随着电解质浓度的增加，有更多的反离子由扩散层进入紧密层，使扩散双电层厚度降低， 电动电位减少，静电斥力和水化膜斥力下降。第77页/共83页第七十八页，共83页。聚沉值：使一定量的溶胶(rngjio)在一定时间内完全聚沉 所需电解质的最小浓度。聚沉能力(nngl)：是聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解 质，聚沉能力(nngl)越小；反之，聚沉值越小的 电解质，其聚沉能力(nngl)越强。反离子价数反离子价数第78页/共83页第七十九页，共83页。定义定义(dngy) ：电解质的聚沉值与反离子价数的：电解质的聚沉值与反离子价数的6次方成反比。次方成反比。 根据此规则(guz)，可判断1价离子、2价离子和3价离子的聚沉值之比为：6632)31(:)21(:1:MMM舒采舒采-哈迪规则哈迪规则(guz)：第79页/共83页第八十页，共83页。原因分析：反离子价数越高，与定势离子的相互原因分析：反离子价数越高，与定势离子的相互(xingh)吸引力越强，进入紧密层的反离子数目越多，使扩散双电层厚度变薄，吸引力越强，进入紧密层的反离子数目越多，使扩散双电层厚度变薄， 电动电位减少，静电和水化膜斥力下降，越易聚结。电动电位减少，静电和水化膜斥力下降，越易聚结。反离子直径反离子直径(zhjng)同价离子的聚沉率虽然相近，但仍有差距(chj)，特别对一价离子差别比较显著。第80页/共83页第八十一页，共83页。 一价阳离子聚沉能力(nngl)排序为：LiNaKNHRbCHS4一价阴离子聚沉能力(nngl)排序为：CNSIBrCLOBPOHIOFr3423感胶离子感胶离子(lz)序：同价离子序：同价离子(lz)聚沉能力的次序。聚沉能力的次序。感胶离子序与水化离子半径从小到大的次序大致相同，原因可能是水化离子半径越大，越不容易靠近胶体离子，越不容易进入吸附层，胶粒电动电位越大，斥力越大，聚沉能力越差。第81页/共83页第八十二页，共83页。 相互相互(xingh)(xingh)聚沉现象聚沉现象两种带相反电荷的溶胶相互(xingh)混合后发 生聚沉的现象。第82页/共83页第八十三页，共83页。