2. Структура глинистого раствора.

2.1 Структурообразователи

Промывочные жидкости – дисперсные системы, в которых, в качестве дисперсной фазы выступают тонкодисперсные частицы (структурообразователь), а в качестве дисперсионной среды чаще всего вода.

Под воздействием поверхностной энергии частиц вокруг каждой из них образуется плотный гидратный (адсорбированный) слой с повышенной прочностью структуры (гидрогель – водяная гель).

Для получения значительного количества гидрогеля необходимо иметь тонкодисперсный материал, который либо получают в растворах при взаимодействии различных электролитов при образовании нерастворимых гидрофильных микрокристаллов, либо используют самодиспергирующие минералы в воде способные расщепляться на мелкие гидрофильные частицы, чаще всего это глинистые минералы: монтморилонит, иллит, каолинит, палыгорскит и др.

Способность этих минералов к самодиспергированию обусловлена специфическим строением их кристаллических решеток.

Наиболее эффективным структурообразователем является монтмориллонит NaSi₄O₁₀ (Al, Mg, Fe)₂(OH)₂. Образуется он при выветривании основных пород (пироксенитов, горнблендитов, вулканических пеплов и т.д.) в щелочной среде.

В процессе выветривания ленты кремнекислородных тетраэдров пироксенов и амфиболов объединяются в листы, а катионы, насыщенные в щелочной среде

гидроксильными группами А1(ОН)⁺² прочно связывают эти листы и пакеты. Вместо А1(ОН)⁺² связывание листов может производиться катионами FeOH²⁺ и MgOH⁺. Пакеты между собой связываются обменными катионами Н, К, Na, Mg, Са.

В результате большого многообразия условий образования минерала химический состав его непостоянный: SiO₂-34...59%, А1₂О₃ - 1...28%; MgO -3...31%,Fe₂O₅-0...29%.

В связи с большим количеством замещений катионов высокой валентности (AlOH²⁺ , FeOH²⁺ ) катионами более низкой валентности (MgOH²⁺ ) на поверхности пакетов появляется заряд, который компенсируется обменными катионами.

Обменные катионы связывают пакеты между собой в виде тонкодисперсных (землистых) агрегатов неправильной формы. Существенное влияние на прочность связей между пакетами оказывает межмолекулярное взаимодействие.

В натриевых монтморилонитах в качестве обменного катиона преобладают катионы Na, которые с пакетами образуют слабую ионную связь (подобно связям ионов в поваренной соли). Такие монтморилониты легко диспергируют в воде на ионы и глинистые частицы: SiONa  SiO ^ + Na ⁺.

В кальциевых монтморилонитах связь между пакетами осуществляется с помощью обменных катионов Са , имеющих более высокий заряд и образующих более прочные связи. Вследствие этого диспергирование таких агрегатов в воде происходит значительно труднее.

При добавлении в раствор кальцинированной сода Na₂СО₃ ионы Са⁺² из-за его большого сродства с анионами СО^2- выпадают в осадок, а агрегаты, связанные только ионами Na⁺, легко диспергируют в растворе.

Палыгорскит имеет ту же форму, что и монтмориллонит, NaSi₄O₁₀ (Al,Mg)₂ (ОН)₂, но имеет ленточную структуру, как и минералы, из которых он образовался (пироксены, амфиболы). Образуется он в солёной среде (солёных озёрах, лагунах) при наличии жаркого климата. Кристаллизация минерала в условиях высокой засоленности обусловила цепочную форму кристаллов и их устойчивость в солёной воде. В отличие от монтмориллонита, образованного в благоприятных условиях (щелочной среде) цепочки кремнекислородных тетраэдров не смогли объединиться в листы кремнекислородных тетраэдров.

Вследствие вытянутой фермы кристаллов палыгорскита величина их контактов в растворе невелика, поэтому они не могут слипаться друг с, другом.

Функциональные группы А1(ОН)₂, SiOH.

Иллит - листовой силикат, по химическому составу и структуре аналогичен монтмориллониту. Отличается от него тем, что в слое кремнекислородных тетраэдров SiO наблюдается замещение Si₂O₅^-2 на А1₂О₅^4- (одно замещение из четырёх) отчего на поверхности листа появляются некомпенсированные заряды, что увеличивает взаимодействие между пакетами и уменьшает растворимость минерала в воде.

Образуется иллит при выветривании полевых шпатов в щелочной среде. Функциональные группы =А1ОН, SiOH.

Каолинит Si₂O₅AlO₂(OH)₂ - листовой силикат, образуется из калиевых шпатов в результате их выветривания в кислой среде (при наличии воды и углекислоты):

2KАlO₂3SiO₂ + 2H₂O + CO₂ = Si₂O₅2Al(OH)₂ + 4SiO₂ + K₂CO₃

калиевый шпат угольная кислота

Легкорастворимый поташ К₂СО₃ уносится водой, а избыток кремнекислоты 4SiO₂ образует кварц.

Каолинит представляет собой двухслойную структуру, состоящую из слоя кремнекислородных тетраэдров SI₂O₅ гидраргилитового слоя А1(ОН)₂⁺

Благодаря большому количеству гидроксильных групп в пакетах между ними возникают сильные водородные связи, поэтому каолинит трудно диспергирует в воде.

Каолинит также, как и монтморилонит и иллит, имеет в растворе тонкодисперсные и землистые агрегаты неправильной формы, но у каолинита чешуйки встречается чаще, чем у вышерассмотренных минералов.

Асбест (хризолит) MgSi₄O₁₀(OH)₈ - ленточный силикат, образуется при гидротермальном изменении ультраосновных пород (дунита переодотита), представляет собой, подобно палыгорскиту, два слоя кремнекислородных тетраэдров, связанных бруситовым слоем Mg(OH)₂. В отличие от палыгорскита имеет длинноволокнистую структуру. Солестоек, обладает высокой несущей способностью. В отличие от глинистых минералов гидрофобный (полярные группы внутри кристалла нейтрализуют поверхностный заряд кремнекислородных тетраэдров), поэтому обладает низкой вязкостью и водоотдачей. Относится к опасным минералам, вреден для здоровья человека.

Качество глины характеризуется обменной емкостью, эффективной удельной поверхностью (дисперсностью) и гидрофильностью, определяемой по теплоте смачивания. Ниже приводится таблица физико-химических характеристик глинистых минералов.

Таблица 2.1

Физико-химические характеристики глинистых минералов

Глинистые минералы	Обменная емкость моль на 100г.	Удельная поверхность, м2/г.	Теплоты смачивания, кДж/г
Каолинит	3-15	20-80	2-13
Иллит	10-40	400-500	42-55
Палыгорскит	20-30	800-1000	46-122
Монтмориллонит	10-15	450-900	46-122
Галлуазит	5-10	100-170	–
Вермикулит	100-1500	–	105-126