粘土矿物—高岭土基本特性试验研究

粘土矿物—高岭土基本特性试验研究李婕，李琦，金鹰河海大学海洋学院，南京(210098)E-mail：[e-mail]摘要：河口的粘性细颗粒泥沙絮凝现象研究中，学者们尤其注重河口近岸环境以及水动力条件对其的影响，而事实上，细颗粒泥沙特性本身的差异对絮凝就有很大的影响，因此有必要对粘性矿物进行特性研究分析。本文为了解高岭土的絮凝机理和运动特性，开展了一系列基础性试验研究，内容包括：粘土矿物高岭土的基本特性分析、高岭土的最佳絮凝盐度确定以及高岭土的动水沉降特性研究。关键词：高岭土，絮凝，静水沉降，动水沉降，环形水槽1.引言在河口由于潮流与河水径流、淡水与盐水相交汇，以及潮流涨、落的相互影响，使得水流能量大量耗散，水流挟沙能力下降，泥沙淤积；而粘性泥沙受到高价离子海水的影响，产生絮凝现象，加快了泥沙的沉降速度，进一步促进了泥沙在这一区域的淤积；另外，在进行河口水资源利用规划，诸如围垦、航道整治等工作中，都会碰到泥沙的絮凝沉降问题。因此，研究泥沙絮凝现象，揭示粘性细颗粒泥沙絮凝机理，对分析河口泥沙淤积，河口综合治理和围海造地等都有指导意义.形成河口淤积很重要的原因之一就是上游带来的粘性细颗粒泥沙在河口遇强电解质海水产生絮凝沉降，这些细颗粒泥沙主要由不同的纯粘土矿物组成，各自具有特殊的电化学性质。细颗粒泥沙的矿物组成是影响泥沙絮凝的重要因素之一[1].为此，作者针对粘土矿物高岭土基本特性开展了一系列试验研究。包括：1、高岭土基本特性分析；2、高岭土的静水沉降特性；3、高岭土的动水沉降特性2.粘土矿物高岭土基本特性分析2.1矿物分析本次实验研究的高岭土取自瓷都景德镇市的制瓷土料。高岭土，是粘土中的一种，它在瓷坯中所占的份量最大约为45—60％。它的主要矿物组成是高岭石，是一种六角形鳞片状的结晶，也有呈管状或杆状结晶的。根据景德镇市电瓷电器有限公司化验室的检测结果，高岭石的化学成分为：二氧化硅46．5％；三氧化二铝39.5％；水14％。符合实验要求的粘土矿物属于层状硅酸盐，其主要构造单元是二维排列的硅-氧四面体和二维排列的铝或镁-氧-氢氧八面体[2]。根据四面体片和八面体片叠合方式的不同，粘土矿物分为1:1层状粘土和2:1层状粘土。高岭土就是1:1层状粘土，即高岭土的晶体由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体，通过公共的氧离子联接而成为一个晶层，晶层的一面为氧层，另一面为氢氧层，故上、下晶层之间容易通过氢键，联接紧密。高岭土粘土矿质晶胞之间的连接力是很强的，不允许水分子进入晶胞之间，它的亲水性比水云母类还小，而且粒径粗大，甚至可以成粉粒。由于其晶胞侧面的断口仍能吸收水分子，形成水分子,所以高岭土颗粒仍是亲水的，其分散度是很大的。高岭土的宽厚比例约为10：1，粘性很大，综上本次实验所选取的高岭土是较纯的粘性矿物，是很好的研究絮凝的材料。颗粒分析将高岭土矿物进行洗盐，加（NaPO3）6并采用CSF-3A型超声波（220kHz，50W）振荡分散，采用静水沉降粒径计方法对高岭土进行颗粒分析，确定其中值粒径D50=0.0048mm。由此可见高岭土矿物中细颗粒所占比例较大，在海水环境下极易发生絮凝沉降。3.静水沉降特性分析粘性细颗粒泥沙絮凝机理及影响絮凝的因素是一个较为复杂的问题,广大学者多年来已经做了大量的研究工作。张志忠[3]等将各种影响因素归纳为物质成分(矿物成分、粒度成分、含沙浓度、泥沙颗粒表面电荷)、介质条件(盐度、温度、pH值)和动力条件(流速、紊动强度)等三大因素10个变量。本次静水沉降特性研究系列试验在以Subow配方配制人工海水中展开，了解粒径大小、有机质、海水盐度以及含沙量等对粘土矿物高岭土絮凝沉降的影响。Subow人工海水配方列于表1。表1Subow人工海水配方(1000ml)试剂NaClMgCl2MgSO4CaCl2KClNaHCO3NaBr剂量/g26.5182.4473.3051.1410.7250.2020.0833.1粒径大小对絮凝沉降的影响将粘性矿物高岭土进行分散处理,处理后取分选砂样和未分选砂样的中值粒径泥沙,在盐度10‰的人工海水中做静水沉降试验,结果见表2。由表2看出泥沙颗粒越粗,其絮凝作用越弱,而且絮团的中值粒径明显比单颗粒中值粒径要大。表2絮凝前后分选与未分选沙样粒径比较单颗粒絮团分选D50=0.0048mmD50=0.0376mm未分选D50=0.0131mmD50=0.0344mm分选高岭土颗粒粒径值从0.0048mm的单颗粒一跃变成了0.0376mm的絮团，可见粒径对絮凝的影响很明显。絮凝的程度和泥沙粒径大小成反比.粒径越细，絮凝量越大，这是由于泥沙越细，其表面积越大，ζ电位也越大，遇阳离子中和其表面负电荷后，电位下降，碰撞增多，更易形成絮团，沉降量也就增加，这也说明，其电位越大，就不易絮凝，反之，电位减小易生成絮团，絮凝量就增加[4]。3.2有机质对絮凝沉降的影响用同一种粒径的粘土矿物高岭土,取去除有机质(加双氧水处理)和未去除有机质两种砂样,在盐度10‰人工海水中做沉降试验，结果见表3。可见去除有机质其絮团中值粒径明显较未处理的大,也就是说,有机质含量大小与絮凝沉降量有较大关系。=0.0048mmD50=0.0376mm未去有机质D50=0.0055mmD50=0.0353mm有机质是网状结构，结构中含有大量羧基和羟基等离解性官能团的大分子化合物，其本身带有很强的负电荷，当其被吸附到悬浮颗粒上之后增加了颗粒的表面负电荷，有机物的存在增加了絮凝体的稳定性[5]，对吸附起着重要作用，在桥联和网捕絮凝中，有机物起着促进絮凝的作用，在大多数实际河口海岸环境中情况也是这样的。3.3含盐度对絮凝沉降的影响含盐度是影响絮凝量的重要因素。试验证明，阳离子是使泥沙产生絮团的主要因素。海水中含有大量的Ca2+、Mg2+，导致细颗粒泥沙在海水中发生絮凝沉降，然而并非海水盐度越大，絮凝量越大。将粘土矿物高岭土颗粒进行分散处理，在盐度为1~34‰的人工海水中进行多组沉降试验，分析不同盐度下，粘土矿物高岭土的絮凝度，并将不同含盐度下的粒径分布汇总于图1中。由图1可看出当含盐度是10‰时，高岭土絮团的中值粒径D50=0.036，是34个不同盐度的人工海水絮凝中所产生絮团的中值粒径最大的。因此高岭土粘性矿物的最佳絮絮凝盐度为10‰。3.4含沙量对絮凝沉降的影响含沙量大小对絮凝作用和絮团沉速的影响也非常敏感,在含盐度为15‰人工海水中,絮团中值粒径随含沙量增大,当含沙浓度为40kg/cm3时，此时絮团的中值粒径达到最大；当含沙浓度进一步增加时，絮团的中值粒径开始递减，达到80kg/cm3时，絮团中值粒径达到最低点，此后絮团的中值粒径变化随含沙浓度的递增逐渐趋于平滑，见图2。图1高岭土絮团中值粒径d50与含盐度变化曲线00.010.020.030.040.050.06235791012151718202224262930盐度‰d50(mm)‰人工海水D50与含沙量的关系曲线00.010.020.030.040246含沙量(g/cm3)d50(mm)4.动水沉降特性分析河口细颗粒泥沙絮凝除受盐度等影响，还受潮流、波浪、水流等动力因素影响，因此展开了高岭土的动水沉降试验，用以确定高岭土细颗粒的起动流速、不淤流速以及淤积量等动水沉降特性。试验装置是环形水槽，它可以用来模拟断面水流状态相同的无限长直槽。它由上下盘和调速系统组成，上下盘相向运动，在切力作用下产生水流。本次动水沉降试验在环形水槽中进行，水槽基本尺寸为：外径150cm，内径108cm，槽宽21cm，槽深45cm。在含沙浓度为2.5kg/m3的环形水槽中经过多组水槽试验，绘制不同流速与相对含沙量之间的关系以及不同流速和高岭土淤积量的关系，见图3、图4和图5。由图3、4和图5可以看出，流速越大，含沙量达到稳定的时间越短，泥沙沉降越少；在同一流速条件下，不同含沙量水流中，高含沙量水体比低含沙量水体易于落淤。从试验测出，高岭土粘土矿物不淤流速约为60cm/s，起动流速介于15-20cm/s之间，所以高岭土粘土矿物极易发生絮凝沉降。图3海水环境下不同流速与相对含沙量变化曲线00.10.20.30.40.50.60.70.80.91020406080100120140160时间(t)C/C010cm/s20cm/s30cm/s40cm/s50cm/s60cm/s时间(t)C/C010cm/s20cm/s30cm/s40cm/s50cm/s60cm/s图3和图4比较下可以看出，海水环境和清水环境，不同流速下含沙量百分比都随时间呈递减规律。海水环境下实验进行140min后含沙量变化趋于零，时间间隔比清水环境下要长。小流速时，高岭土矿物落淤程度比较大，但海水环境下的淤积百分比比清水环境要小很多。小流速时，海水环境下的高岭土落淤量不到50％，而清水环境下的落淤量接近于100％。图5不同流速与淤积量的关系曲线00.511.522.53020406080流速(cm/s)淤积量(kg/m3)所以结合这三张图可以看出泥沙沉降历时、流速以及含盐度都是影响粘性泥沙动水沉降的主要因素。5.结论本文给出了粘土矿物高岭土特性分析，得到以下结论：（1）粘土矿物高岭土中值粒径D50=0.0048mm,它属于粘性细颗粒泥沙的范畴（2）由静水沉降实验得到高岭土的最佳絮凝盐度是10‰，而实际河口地区的盐度在10‰—20‰，河口地区的粘性细颗粒泥沙中高岭土的含量较高，所以河口淤积很大。（3）通过实验分析，高岭土絮凝受粒径、有机质、含盐度、含沙量以及矿物特性的影响。粒径大小与絮凝量成反比,粒径越小，越容易产生絮凝；有机物的存在增加了絮凝体的稳定性，去除有机质，絮凝现象明显；含沙量对絮凝的影响表现在有一个峰值，成抛物线形关系；含盐度对絮凝的影响是最为复杂。（4）通过环形水槽实验得出高岭土的起动流速在15-20㎝/s，不淤流速是60cm/s。（5）通过实验分析流速、含盐度以及沉降历时是影响泥沙动水沉降特性的主要因素。其中，流速是主要的。小于不淤流速时，细颗粒泥沙絮凝沉降强度随流速的减小逐渐增强。随流速的减小，含盐度与含沙量的影响逐渐增大。在某些特征盐度作用下，泥沙的絮凝沉速才会达到最大，造成的泥沙淤积也最为严重。参考文献[1]钱宁，万兆惠，泥沙运动力学，北京：科学出版社，1983，14～28[2]H·范·奥尔芬(许冀泉等译),粘粒化学导论[M].北京:农业出版社,1982[3]张志忠，阮文杰，蒋国俊,长江口动水絮凝沉降与拦门沙淤积的关系[J]海洋与湖沼，1995,26(6):632-638[4]金鹰,王义刚,李宇,长江口粘性细颗粒泥沙絮凝试验研究[J],河海大学学报2002,5,30(3)[5]张庆河等，粘性泥沙絮凝现象研究述评——絮凝机理与絮团特性[J]，海洋通报，2001，6，20CharacteristicExperimentsonSedimentofKaolinClayLiJie，LiQi，JinYingCollegeofOcean,HohaiUniversity，Nanjing（210098）AbstractToinvestigatethecharacteristicsofsedimenttransportofkaolinclay,aseriesofbasicexperimentwerecarriedout.Followingaspectswereobtained,basiccharacteristicof