Емкость обмена и электрический заряд

Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы. Между глиной и раствором происходит обмен катионов. При этом скорость обмена почти мгновенна.

Каждая глина обладает определенным количеством обменных ионов, т.е. вполне определенной обменной емкостью (или емкостью обмена). Обменная емкость выражается количеством молей обменных катионов, содержащихся в 1 кг сухой глины. Для наиболее распространенных глинистых минералов обменная емкость составляет: у монтмориллонита 0,8-1,5, гидрослюд – 0,1-0,4, палыгорскита – 0,2-0,3, каолинита – 0,03-0,15.

В глинистых минералах обменными катионами являются: Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺, . В природных глинах основные обменные катионы – натрий или кальций, и глина получает название соответственно натриевой или кальциевой. Чистые натриевые или кальциевые глины в природе практически не существуют. Обычно глины смешанные, но влияние одного из катионов преобладает. По преобладающему влиянию глины относят к тому или иному типу. Тип глины во многом определяет свойства глинистого раствора при взаимодействии с веществами, содержащимися в дисперсионной среде. Возможно искусственное превращение натриевых глин в кальциевые и обратно.

При добавлении в дисперсионную среду глинистого раствора растворимых солей кальция, например хлористого кальция, последний диссоциирует с образованием двух однозарядных анионов хлора и одного двухзарядного катиона кальция. Катионы кальция притягиваются к натриевой глине значительно сильнее, чем однозарядные катионы натрия. Происходит обмен катионами. Глина становится кальциевой, а в растворе образуется хлористый натрий. Процесс замещения кальция натрием в глине происходит сложнее. Для этого нужно брать соль натрия, с анионом которой кальций образует нерастворимое соединение. Ионы кальция связываются, и их место занимает натрий. Чаще такой перевод кальциевой глины в натриевую осуществляют с помощью кальцинированной соды.

Гидрофильность и набухание глин

Все глины в той или иной мере гидрофильны. Характер гидрофильности зависит от их типа и состава и во многом определяет качество глинистого раствора. При замачивании глины водой молекулы воды окружают поверхность кристаллов глинистых минералов, проникают между кристаллами в пачках и раздвигают их. При этом глина набухает. Набухание – предпосылка пептизации глинистых минералов при приготовлении растворов. Оно протекает в два этапа: первый – всасывание воды, второй – развитие набухания. Набухание оценивается в кубических сантиметрах на грамм, измеряется на порошках глин с размером частиц 0,25  мм и менее.

Всасывание – капиллярный процесс. Для глин среднего качества всасывание длится 20-30 с, для весьма гидрофильных глин – больше. Процесс набухания зависит от типа глины: у минералов с неподвижной кристаллической решеткой набухание идет в основном за счет проникновения воды в межкристаллическое пространство, у монтмориллонита преимущественное значение имеет проникновение воды в межпакетные промежутки. Поэтому набухание у малогидрофильных глин, например у каолина, фактически заканчивается через 30-40 с. У бентонитовых глин набухание растягивается на 2-4 недели, причем увеличение объема может быть двадцатикратным.

При избытке воды набухание сопровождается разрушением глины. Диполи воды своими отрицательными заряженными концами притягиваются к положительным ионам металлов или водорода. Чем меньше заряд и больше размер ионов, тем быстрее или легче они отрываются диполями воды от поверхности элементарных кристаллов. Связь между листочками в пачках нарушается, и глина "распускается" в воде. На набухании глин отрицательно сказываются снижение рН и солевая агрессия. Так, максимум набухания у бентонитовой глины аскангель в пресной воде 17,7 раза, а в соленой в 10 раз меньше. Лишь палыгорскит одинаково хорошо набухает в пресной и соленой воде. Поэтому промывочные жидкости из палыгорскитовых глин солеустойчивы.

Следует иметь в виду, что время протекания процессов всасывания и набухания при приготовлении глинистых растворов различно (влияет перемешивание, размеры комков глины и ее исходная влажность, состав воды и др.), но характер их протекания сохраняется. Это при прочих равных условиях определяет время приготовления раствора из каждого типа глины. Чем выше качество глины, тем дольше идет приготовление глинистого раствора.

Процессы, происходящие при набухании глин, во многом объясняют поведение стенок скважин, сложенных глинистыми породами, при контакте с промывочной жидкостью.