不同类型高固含量高岭土悬浮液的制备.doc

第1期 黄道培 彭朴.不同类型高固含量高岭土悬浮液的制备 3
不同类型高固含量高岭土悬浮液的制备
黄道培 彭 朴
（中石化长岭分公司研究院）
摘 要 制备了两种不同类型的高固含量的高岭土悬浮液，并考察了分散剂用量和悬浮液的pH 值对高岭土悬浮液的固含量的影响。
关键词 高岭土悬浮液 固含量 分散剂 阴离子 阳离子

1 前言
高岭土广泛用于造纸、陶瓷制造以及催化剂制备等工业[1]。在裂化催化剂制备过程中，为了保证催化剂各组分分散均匀以及催化剂有较好的磨损强度，通常把高岭土分散成悬浮液，然后和其它组分混合形成催化剂前身悬浮液，最后经喷雾干燥成型。催化剂前身悬浮液固含量的高低对喷雾干燥能耗以及催化剂的磨损强度均有较大影响，固含量越高，喷雾干燥能耗越低，成型后的催化剂磨损强度越好[2]。高岭土是催化剂的主要组分，提高高岭土悬浮液的固含量是提高催化剂前身悬浮液固含量较有效的途径之一。
在高固含量高岭土悬浮液的制备过程中，分散剂发挥较重要的作用。本文考察两种类型高岭土悬浮液的制备方法，并对影响高岭土悬浮液固含量的其它主要因素进行了考察。
2 实验部分
2.1 高岭土
比表面积：22m2/g，孔体积：0.11ml/g，中国苏州高岭土公司产品，长岭炼油化工有限责任公司催化剂厂提供
2.2 分散剂
聚氯化铝，化学式为[Al2(OH)nCl6-n]m，长岭炼油化工有限责任公司催化剂厂提供；
水玻璃，模数3.2；长岭炼油化工有限责任公司催化剂厂提供；
聚磷酸钠，分析纯，北京化工厂产品；
聚苯乙烯磺酸钠，结构式为—[CH2CH（C6H4SO3Na）]n—，自制，平均分子量为1.5×104，制备方法见文献（3）；
聚丙烯酸钠，结构式为—[CH2CH（COONa）]n—，自制，平均分子量为4.8×103。
2.3 悬浮液的制备
开启胶体磨，控制齿轮刻度以保证颗粒的均匀性，按投料比分别加入去离子水、分散剂、高岭土，循环一定时间后待测试。
2.4 测试
表观粘度：在25℃恒温体系下用NXS-11型旋转粘度计测试高岭土悬浮液。测试一定剪切速率（D）下的剪切应力（t），剪切应力与剪切速率之比为表观粘度h（Pa·s）。
固含量：称取一定量（G）的样品，在120℃下烘干后放入马福炉，在800℃下焙烧1小时，然后放入干燥内冷却，冷却后称重（M），固含量（C）=M/G×100% 。
3 结果与讨论
3.1 分散剂的选择
图1为相同表观粘度下采用不同分散剂制备的高岭土悬浮液的固含量，可以看出，制备高岭土悬浮液时，加入分散剂可以大幅度提高高岭土悬浮液的固含量（从20m%提高到40m%以上）。以聚羧酸盐、聚磷酸盐和聚氯化铝为分散剂时，制备的高岭土悬浮液固含量较高，可以达到50m%以上。
分别取适量的含不同分散剂的高固含量的高岭土悬浮液，用去离子水稀释并用超声波（频率50kHz）分散成固含量为0.1m%的悬浮液，然后用MALVERN Zetamaster电位仪测试该悬浮液中颗粒的 Zeta电位（结果见表1）。可以看出，含分散剂的高岭土悬浮液中颗粒的Zeta电位（绝对值）均较不含分散剂的高岭土悬浮液中颗粒的Zeta电位（绝对值）大幅度提高，这说明加分散剂后，高岭土颗粒所带电荷量明显增加；从表1还可以看出，用水玻璃、聚磺酸盐、聚羧酸盐和聚磷酸盐分散后，悬浮液中高岭土颗粒的Zeta电位为负值，而用聚氯化铝分散的高岭土悬浮液中高岭土颗粒的Zeta电位为正值，这说明水玻璃、聚磺酸盐、聚羧酸盐和聚磷酸盐等分散剂制备的高固含量高岭土悬浮液体系为阴离子型，采用聚氯化铝分散剂制备的高固含量高岭土悬浮液为阳离子型。

图1 相同表观粘度时不同分散剂存在下可允许的高岭土悬浮液固含量
表1 不同分散剂下高岭土颗粒的电位 mv
分散剂
名称
空
白
水玻
璃
聚磺
酸盐
聚羧
酸盐
聚磷
酸盐
聚氯化铝
Zeta电位
-29.9
-42.3
-40.6
-54.5
-54.3
+48.5
高岭土颗粒是一种层状的硅铝酸盐晶体，其单位晶胞由一个四面体硅氧片和一个八面体铝氧片组成（1：1层状粘土），高岭土颗粒表面包括平面和端面两部分，高岭土颗粒所带电荷量等于颗粒平面所带电荷和颗粒端面所带电荷的代数和。在水溶液中，颗粒的平面形成带永久正电荷的双电层，但颗粒端面的电荷分布却和氧化铝颗粒一样受溶液pH值的影响，当pH值高于颗粒端面的等电点时，颗粒端面形成带负电的双电层[4]；当pH值低于颗粒端面的等电点时，颗粒端面形成带正电的双电层；高岭土颗粒端面的等电点约为7.3[5]。通常情况下高岭土颗粒的平面和端面带两种不同极性的电荷（平面带负电荷，端面带正电荷），颗粒整体带负电荷；一个颗粒的平面和另一个颗粒的端面因电荷极性不同很容易因静电引力结合形成絮凝结构，体系中的一部分水被包在絮凝结构中，使高岭土的固含量难以提高。加入分散剂后，分散剂吸附在高岭土颗粒表面，改善了高岭土颗粒表面的电荷分布，使颗粒之间的斥力增加，絮凝结构难以形成，高岭土悬浮液的固含量大幅度提高[4]。
聚羧酸盐、聚磷酸盐、水玻璃和聚磺酸盐为阴离子型聚电解质，它们吸附在高岭土颗粒的端面，使端面带负电（和颗粒平面的电荷极性相同），高岭土整体颗粒的负电荷增加，颗粒间的斥力增加，絮凝结构减少，可制备的高岭土悬浮液固含量高，高岭土悬浮液体系为阴离子型。聚氯化铝为阳离子型聚电解质，它吸附在高岭土颗粒的平面，使平面所带电荷由负变正（和颗粒端面的电荷极性相同），高岭土整体颗粒电荷为正，并且随着聚氯化铝加入量的增加，高岭土颗粒的正电荷增加，颗粒间的斥力增加，絮凝结构减少，也可制备出高5
+固含量的高岭土悬浮液，悬浮液体系为阳离子型。
3.2 pH值的影响
图2是高岭土悬浮液的表观粘度随pH值的变化情况，可以看出，不含分散剂的高岭土悬浮液和含阴离子型分散剂的高岭土悬浮液， 其表观粘度均随pH值的升高而降低，这是因为：随着pH值的升高，高岭土颗粒表面的负电荷量增加，高岭土颗粒间的斥力增加，絮凝结构减少。因此，升高悬浮液的pH值可以提高高岭土悬浮液的固含量。

图3 聚磷酸盐分散剂的加入量对高
岭土悬浮液表观粘度的影响
条件：高岭土悬浮液固含量50m%，pH=7.0，剪切
速率（D）50S-1

从图2还可以看出，含阴离子型分散剂的高岭土悬浮液，其表观粘度受pH值的影响较大，在pH值降低至酸性范围时，高岭土悬浮液的表观粘度明显升高，这一方面是因为高岭土悬浮液中絮凝结构随pH值的降低而增多，另一方面是因为在酸性条件下，分散剂在水溶液中的电离度随pH值的降低而降低，导致它们的分散能力降低。因此，采用阴离子型分散剂制备高固含量的高岭土悬浮液时，必须保持悬浮液较高的pH值环境。
用聚氯化铝分散剂制备的高固含量高岭土悬浮液，其pH值为酸性范围。

图4 聚氯化铝分散剂的加入量对高岭土悬
浮液表观粘度的影响
条件：高岭土悬浮液固含量10m%，剪切速率（D）51S-1

图2 pH值对高岭土悬浮液表观粘度的影响
▲—空白（C=20m%）；●—聚磷酸盐（C=55m%）；
○—聚磺酸盐（C=43m%）□—水玻璃（C=40m%
■—聚羧酸盐（C=55m%）
3.3 分散剂加入量的影响
图3、图4分别显示了高岭土悬浮液的表观粘度随聚磷酸分散剂盐加入量的变化情况，从图3可以看出，随着聚磷酸盐阴离子型分散剂加入量的增加，高岭土悬浮液的表观粘度降低，当加入量达到一定值（饱和量）后，继续加入该分散剂，高岭土悬浮液的表观粘度基本不再变化。
从图4可以看出，随着聚氯化铝加入量的增加，高岭土悬浮液的表观粘度先增加，上升至最高点后，继续增加聚氯化铝的加入量，高岭土悬浮液的表观粘度下降，当聚氯化铝的加入量达到一定值（饱和量）后，继续加入该分散剂，高岭土悬浮液的表观粘度基本不再变化。
上述结果说明，尽管高岭土悬浮液表观粘度随两种分散剂加入量的变化趋势不尽相同，但都存在一个饱和量，当加入量超过饱和量时，高岭土悬浮液的表观粘度均不再变化。因此，制备这两种类型的高固含量高岭土悬浮液时，均需确定分散剂的最佳加入量。
4 结论
（1）采用阴离子型分散剂和聚氯化铝阳离子型分散剂均能制备出高固含量的高岭土悬浮液，在所考察的几种阴离子型分散剂中，聚磷酸盐和聚羧酸盐分散效果最好。
（2）采用阴离子型分散剂制备高岭土悬浮液时，高岭土悬浮液的固含量受悬浮液的pH值影响很大，制备这种类型的高固含量高岭土悬浮液，必须保持悬浮液体系较高的pH值环境。
（3）采用聚氯化铝阳离子型分散剂制备的高固含量高岭土悬浮液属酸性体系。
（4）不论是阴离子型分散剂还是聚氯化铝阳离子型分散剂，分散剂量对高岭土悬浮液的固含量均有较大影响，制备这两种类型的高固含量高岭土悬浮液时，均需确定分散剂的最佳加入量。
参考文献
1任磊夫.高岭土矿物和高岭土岩.北京：地质出版社，1996
2 Scherzer Julius. Octane-Enhancing,Zeolitic FCC
Catalysts:Scientific and Technical Aspects.Catal.Rev.-Sci.
Eng.,1989,31(3):286-287
3 彭朴.水溶液磺酸盐型水浆燃料添加剂.中国矿业大学学报，1997，26（增刊）：9-10
4 H.范.奥尔芬.粘土胶体化学导论.许冀泉等译.北京：农业出版社，1979
5 Rand B, Melton I E. Particle Interactions in Aqueous Kaolin Suspensions 1.Effect of pH and Electrolyte upon the Mode of Particle Interaction in Homoionic Sodium Kaolin Suspensions. Journal of Colloid and Interface Science, 1977,60(2): 308-319
6 黄道培.裂化催化剂制备过程中悬浮液流变行为的研究.硕士学位论文.北京：中石化石油化工科学研究院,1998
（审稿人：张觉吾）