4.2.2 高庙子膨润土的阳离子交换容量
测定高庙子膨润土离子交换容量的方法为硫酸钡（BaSO4）交换法，系国家推荐的标准方法GB/T 20973—2007[4]。该方法的原理是，用BaCl2溶液处理膨润土样品，在充分接触的条件下，Ba2+与膨润土中的可交换阳离子发生等量交换，所交换出的阳离子采用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）仪测定，分别得到Na、K、Ca、Mg的含量；之后再将膨润土中的可交换性Ba2+与MgSO4反应，生成BaSO4沉淀，通过消耗MgSO4的量即可测定膨润土的阳离子交换容量。
称取1.0 g烘干膨润土放入50 m L聚丙烯离心管中，加盖称量得到m1，向其中加入30.0 m L 0.1 mol/L BaCl2溶液，振荡5 h，在10 000 rpm 下离心10 min，将上清液转移到100 m L容量瓶中。将膨润土超声分散3 h。重复上述过程两次。将三次离心所得上清液加入同一个100 m L容量瓶内并用0.1 mol/L BaCl2溶液定容到100 m L，该溶液称为滤液A。将进行过以上处理的膨润土与30 m L 0.002 5 mol/L BaCl2溶液混合分散，超声3 h后再振荡5 h并静置8 h，在10 000 rpm 下离心10 min，取出上清液待测。然后称量离心管、离心管盖和膨润土的总质量得到m2，之后加入30 m L 0.02 mol/L MgSO4溶液分散膨润土，超声分散3 h后振荡24 h并静置8 h，在10 000 rpm 下离心10 min，倒出上清液并过滤到锥形瓶中，该溶液称为滤液B。以上述相同步骤不加膨润土进行空白对照实验。分别移取滤液A 和空白试液2.0 m L到试管中，加入8 m L水，用ICP-AES测定滤液A 和对照空白试液的Na、K、Ca、Mg含量，以如下方法进行计算：
式中，ρM为膨润土阳离子交换容量中金属离子M 的含量，mmol/100 g；ρ'M为稀释之后的滤液A 中所测得金属离子M 的浓度，mg/L；ρ″M为稀释之后的空白试液中所测得金属离子M 的浓度，mg/L；m 为所测试样品的总质量，g。
分别移取滤液B和对照空白试液2.0 m L到100 m L容量瓶中，用去离子水定容，然后使用ICP-AES测定滤液B中镁离子的浓度和空白试液中镁离子的浓度，以如下方法计算阳离子交换容量：
式中，CEC 为膨润土的阳离子交换容量，mmol/100 g；C'为稀释之后的滤液B 中所测得的镁离子浓度，mg/L；C 为修正的滤液B中镁离子浓度，mg/L；C″为稀释之后的空白试液中所测得的镁离子浓度，mg/L；m 为所测试样品的总质量，g。为了解实验条件对所测阳离子交换容量的影响，我们尝试了改变振荡、静置与超声的时间以及将交换Ba2+的溶液由MgSO4换成Na2SO4，共进行了4组实验。
图4-10和图4-11分别是原状以及烘干的高庙子膨润土的XRD 谱图。谱图上半部分是高庙子膨润土样品的谱图，下半部分则为膨润土各种组成矿物的标准谱图。
根据图4-10和图4-11中的有关数据分析得到的高庙子膨润土矿物的组成列于表4-6中。表中所列数据均为三个平行样品的平均值。
图4-10 原状高庙子膨润土的XRD谱图
图4-11 烘干高庙子膨润土的XRD谱图
表4-6 高庙子膨润土的矿物组成
使用XRF所测定的高庙子膨润土主次元素的含量如表4-7所示。表中数据为原状高庙子膨润土单次测定的结果。
表4-7 高庙子膨润土主次元素的含量
注：表中数据为质量分数（%），其中Fe2O3为全铁含量。
使用ICP-MS所测定的高庙子膨润土微量元素含量列于表4-8中。
表4-8 高庙子膨润土中微量元素的含量
注：表中数据为质量分数（×10-4%），As、Se、Sn仅供参考。
在原状高庙子膨润土的XRD 衍射谱图中，在2θ=7°附近有一个突出的衍射峰，通过图谱比对可知该峰是膨润土的层间水衍射峰，说明在原状高庙子膨润土中含有的水分主要是以层间水的形式存在的。当膨润土在378 K 下烘干后该衍射峰消失，说明这一部分层间水在加热时很容易去除。矿物组成分析表明，高庙子膨润土蒙脱石含量在75%以上，与美国MX-80膨润土和加拿大阿文利（Avonlea）膨润土的蒙脱石含量处于同一水平，属于高品质膨润土。在非蒙脱石副矿物中，石英的含量较高，此外还有少量的伊利石、高岭石、方解石、钠长石和微斜长石等。该膨润土的主要组成矿物绝大部分具有较好的热稳定性。元素分析结果表明，高庙子膨润土属于钠基膨润土；微量元素分析结果表明，高庙子膨润土中锶和钡的含量较高，铕的含量偏低，轻稀土相对富集。
实验测得高庙子膨润土的阳离子交换容量与几种主要可交换阳离子的含量列于表4-9中。
表4-9 高庙子膨润土的阳离子交换容量与几种可交换阳离子的含量[2]
注：表中数据单位均为mmol/100 g。第1组振荡1 h，静置5 h，未进行超声分散，使用硫酸镁交换钡离子；第2组振荡1 h，静置5 h，超声分散2 h，使用硫酸镁交换钡离子；第3组振荡5 h，静置24 h，超声分散3 h，使用硫酸钠交换钡离子；第4组振荡5 h，静置24 h，超声分散3 h，使用硫酸镁交换钡离子。
表4-9中的数据表明，采用标准处理流程（相对最长的振荡、静置、超声分散时间）得到的阳离子交换容量值最大，说明每个处理步骤以及所需时间对于准确测定膨润土的阳离子交换容量都是不可或缺的。钠离子可交换阳离子占比最大，占全部阳离子交换容量的90%以上。在测定阳离子交换容量的过程中，离心后对膨润土进行超声分散以及长时间振荡、静置使离子交换达到平衡是非常必要的。当采用硫酸钠代替硫酸镁时，超声分散6 h后固体仍然板结在离心管底部，基本上不分散；而采用硫酸镁超声分散3 h即可分散良好，测定结果也优于硫酸钠，说明对于钡离子而言，镁离子是更为合适的离子交换剂。总体而言，硫酸钡交换法是一种可靠的测定膨润土离子交换容量的方法，虽然实验操作步骤较多、速度较慢，但所得数据准确可靠、重现性好。