瓜尔胶的性质及其在工程废泥浆处理中的应用

瓜尔胶的性质及其在工程废泥浆处理中的应用

聂启霞1

重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆400074）

摘要：瓜尔胶水凝胶是一种天然植物胶，具有优良的溶胀能力和保水性能。研究表明若将天然无毒的瓜尔胶高分子加入废弃泥浆泥浆中，可其发生交联反应形成三维网络结构，固定泥浆中的悬浮物和水分，形成固结体从而达到对泥浆的处理。

关 键 词：瓜尔胶；废弃泥浆；性质分析

0.引 言

对于工程建筑中产生的废弃黏土泥浆处置问题一直是备受关心的重点问题，利用水凝胶的可胶结性能，将亲水性的瓜尔胶溶解于黏土泥浆中，通过交联作用形成网络将黏土泥浆中的悬浮物进行包裹、固定形成黏土泥浆-水凝胶的固结体，可以实现对黏土泥浆一种无害化的处理。

1.瓜尔胶的结构与性能特点

1.1 瓜尔胶的结构

瓜尔胶是一种天然高分子有机化合物，天然瓜尔豆提取出的瓜尔胶呈白色粉末状，属于半乳甘露聚糖类，由（1-4）-D-甘露糖为主链和（1-6）-半乳糖为支链构成[8]如图1所示。瓜尔胶的相对分子量大约为100万~300万，其分子结构如图2所示。从分子结构看，半乳糖分子多以2~3个在主链上呈无规分布，这种分布特点区别于其他多糖分子，有分支的结构使得瓜尔胶的性质也有所不同。瓜尔胶易溶于水但是在油、酮、酯中不溶，其水溶液无毒无味，pH值在6~7之间，呈中性；瓜尔胶的水溶液具有粘稠性，粘稠性的高低与瓜尔胶的粒度、制备条件和温度有关，1%的瓜尔胶水溶液粘度大约在5~6Pa.s，在天然胶中属粘度最大；瓜尔胶水溶液热稳定性较差，在大多数一价盐粒子溶液中能够耐受，但高价金属离子会使其溶解度下降。

由于瓜尔胶分子上带有的顺式羟基，因此在一定的pH溶液下经由极性键与配位键和交联剂作用形成水凝胶和一层水溶性薄膜。在水溶液介质下所形成的凝胶就是瓜尔胶基水凝胶。

1.2 瓜尔胶的性能特点及应用

阳离子瓜尔胶是一种水溶性高分子聚合物，其化学名称为瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵。其利用天然瓜尔胶为原料，去除表皮及胚芽后所剩的胚乳部分，主要含有半乳糖和甘露糖，经干燥粉碎并加压水解后用20%乙醇溶液沉淀，离心分离干燥后与失水缩甘油醚三甲基氯化氨反应制得。尽管瓜尔胶具有很好的水溶性和增稠性,但是原粉往往具有下述缺点:①不能快速溶胀和水合,溶解速度慢;②水不溶物含量高;③粘度不易控制;④易被微生物分解而不能长期保存。这些缺点使瓜尔胶的应用受到很大限制。因此需要改变其理化特性,使其可广泛应用。阳离子瓜尔胶在冷水中可溶，这与阳离子淀粉相比是一个很大优势。

交联改性瓜尔胶是指瓜尔胶及其衍生物的水溶液在控制pH值的条件下,可以和硼、钛、锆等形成凝胶,这种凝胶在平坦的表面上能够流动。其中硼和瓜尔胶所形成的凝胶对剪切是可逆的,即在切割或破裂后,凝胶体可恢复至原来的状态,而过渡金属与瓜尔胶所形成的凝胶则是非可逆的。交联有效提高了瓜尔胶在高温下的稳定性,使其在高温油井中得到了广泛应用。

瓜尔胶是一种从豆类植物中提取而来的天然高分子多糖，因此具有无毒害，绿色、易于获得的特点，一直被广泛应用于食品、医疗、化妆品、矿业等行业中。目前瓜尔胶基水凝胶可应用于油气田的水基压裂液，在食品行业用作增稠剂，保水剂、软化剂等造纸业中可作增稠剂等应用。

2.瓜尔胶在废泥浆处理中的应用

2.1 工程废泥浆的分类与特点

工程废泥浆其主要组成为黏土和水，是一种半胶体悬浮体。用于配置泥浆的黏土主要由含水铝硅酸钠组成，含水铝硅酸钠是高岭土、微晶高岭石、水云母等矿物的混合物。根据黏土矿物中的成分和含量，可以将黏土矿物分为四大族类，分别是：高岭石族、蒙脱石族、水云母族和海泡石族。除了含水铝硅酸钙之外，黏土中还含有一些金属氧化物杂质。工程上使用的黏土泥浆的黏土矿物主要是含蒙脱石为主的膨润土。

工程废弃黏土泥浆具有颗粒含量多、稠度大、固液难分离的特点，若将其直接投入河流海洋会造成严重的环境污染，并且由于泥浆自然沉淀的周期长、占地较多、难运输，因此工程建筑产生的废弃黏土泥浆的处理问题日渐突出。

工程废弃泥浆含有大量的黏土泥浆，因此具有丁达尔效应；若将黏土泥浆进行微观观察可以发现黏土泥浆悬浮液中存在的黏土粒子，并且做不规则的布朗运动。

2.2 工程废泥浆的现行处理方法

国内外目前对于废弃的泥浆处理方法主要有以下几种：固液分离法、MTC处理法、化学固化处理法、土地耕作法等。固液分离法主要指化学固液分离法，通常采用的方法是泥浆中加入一些化学试剂（絮凝剂）。MTC处理法是20世纪90年代发展起来的一项新型技术，其方法是在泥浆中加入水淬高炉矿渣和一些激活剂，使泥浆转化为水泥浆从而进行一个再利用。化学固化处理法是在泥浆中投入固化剂，是泥浆发生固化形成固化体，固化后的泥浆可就地填埋或者作为材料运用于相应的工程项目中。土地耕作法是除去泥浆的上层水后，将黏土泥浆与土壤混合并进行耕种，但此方法目前使用较少，原因是耗时较长、资源耗费较大、效率较低。

3.瓜尔胶与废泥浆的固结

3.1 瓜尔胶与废泥浆的固结作用

工程废泥浆属于疏水性胶体，瓜尔胶基水凝胶属于亲水性胶体，在黏土泥浆-瓜尔胶体系中，瓜尔胶主要起胶凝剂的作用，两者相互发生作用，瓜尔胶作为一种非离子型有机高分子，在和黏土形成复合体时可以通过干黏土与瓜尔胶的水溶液形成，也可以通过将瓜尔胶水溶液和黏土泥浆悬浮体混合后形成。因此，将瓜尔胶水溶液掺入黏土泥浆悬浮体中在交联剂的作用下形成凝胶，达到固结废泥浆的作用。

将瓜尔胶加入经预处理后的工程废弃黏土泥浆中搅拌均匀，使瓜尔胶完全溶解；最后将一定浓度的四硼酸钠交联剂加入其中，搅拌均匀，大约在5~10min内即可得到黏土泥浆的固结体。

3.2 固结机理

黏土泥浆的水凝胶固结过程与黏土-有机化合物之间的相互作用具有密切的联系。在黏土、水、无机高分子形成的复合凝胶体系中，无机高分子化合物起着胶凝剂的作用；黏土粒子的表面电位对于黏土泥浆和瓜尔胶之间的相互作用具有重要影响。因此分析黏土泥浆与瓜尔胶的水凝胶固结机理必须从分析黏土泥浆的微观结构和黏土泥浆与瓜尔胶之间的相互作用入手。

当黏土粒子与水发生作用形成黏土泥浆时，水由于润滑作用促使黏土粒子之间的相互滑动使得粒子之间的含水量增大，从而产生膨胀体积增大。水分子可以通过黏土结构的微孔隙向内渗透使得黏土粒子的铝氧八面体发生解离Al3+离子被解离出并可以溶解于水中生成氢氧化铝化合物从而在水中会形成胶体，并带有正电荷，所以会和带有负电的黏土粒子相互吸引并吸附于黏土颗粒的表面，并不断的吸附周围的黏土颗粒，从而产生吸附胶结。

4.结论

通过对黏土泥浆和水凝胶的基本性质分别进行认识，确定可实现的黏土泥浆的水凝胶固结方法。对黏土泥浆-水凝胶的固结机理进行分析后得出，水凝胶固结体系的形成主要是依靠黏土泥浆中颗粒的自身相互作用和黏土颗粒-有机高分子之间的相互作用实现的。黏土泥浆-水凝胶的固结过程主要是依靠两种作用，一是体系中的范德华力大于静电斥力，使得泥浆发生固结；二是瓜尔胶高分子中的活性醇羟基和高分子链段，使得黏土泥浆与水凝胶的相互吸附加大，产生固结作用. 目前黏土泥浆的处理技术虽然较为成熟，但仍然具有许多可以改进的地方，比如其环保性差，二次利用效果不理想等。将水凝胶技术应用于废弃黏土泥浆的处理中是一种可实现且高效环保的方法。

参考文献(References)：

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