3.1 Исследование качественного минерального состава бентонита Центрального месторождения «Герпегеж»
В результате комплексного исследования качественного минерального состава бентонита методами рентгенографии, термогравиметрии и микроскопии (рисунки 1‑3) определено, что основным минералом бентонита Центрального месторождения «Герпегеж» является монтмориллонит. На рентгенограмме монтмориллонит диагностируется наличием серии типичных рефлексов (рисунок 1). Установлено присутствие кварца, каолинита, гидрослюды.
Рис. 1 –Рентгенограмма природного бентонита
Рентгенодифракционные исследования образцов глины проводили в интервале углов 2q от 2,0° до 40,0°.
Дифрактограмма природной глины содержит характерный пик в области 2q =7,53° (d =1.1 нм), соответствующий Брегговскому периоду расположения гетерогенных областей и отвечающий за расстояние между базальными поверхностями монтмориллонита (рис.1).
На дифференциально-термических кривых бентонита (рис. 2) обнаруживается ряд термических эффектов. При температурах 100‑110 °С наблюдается интенсивный эндотермический эффект, обусловленный выделением адсорбционной и межслоевой молекулярной воды. Наличие дополнительного эффекта при температурах с максимумом 500‑505 °С вызвано удалением структурной воды.
Рис. 2 – Дифференциально-термические кривые природного и модифицированного бентонитов: 1 – природного, 2 – обогащенного, 3 – модифицированного серной кислотой, 4 – модифицированного карбонатом натрия
При изучении морфологии природного бентонита с помощью микроскопии в образцах отмечены образования монтмориллонита, зерна кварца округлой формы, слюдистые фрагменты, остатки кремнистых скелетов микроорганизмов – единичные спикулы губок, частицы опала в виде панцирей диатомей плохой сохранности.
На электронных микрофотографиях бентонита (рис. 3) частицы монтмориллонита имеют вид крупных и мелких чешуек в форме листовых агрегатов. Встречаются агрегаты с хлопьевидными очертаниями, складчатые образования. Видны частицы, отличающиеся по размерам и форме, объединенные в ультрамикроагрегаты и агрегаты со слабо- и высокоориентированным в микроблоки расположением. По типу, связанному с составом и условиями образования, по классификации Е.М. Сергеева, микроструктура исследованных образцов отнесена к ячеистой, характеризующейся образованием крупных микроагрегатов, контактирующих между собой по типу базис-базис, базис‑скол. Отмечаются поры: межчастичные, образованные неплотностями прилегания первичных частиц; межмикроагрегатные, большей частью щелевидные, различных размеров.
Рис.3 – Электронные микрофотографии спектры частиц природного бентонита
Химический состав бентонита представлен ионами натрия, кальция, калия и магния (таблица 2). Ввиду преобладания катионов кальция и магния, ионообменный комплекс бентонита относится к щелочноземельному типу.
3.2 Обогащение и модификация природного бентонита
Удаление крупнозернистых включений при обогащении, преимущественно кварца, приводит к перераспределению доли компонентов в составе бентонита. Отмечается увеличение содержания монтмориллонита. За счет удаления кварца, количество оксида кремния снижается до 72,30 %, содержание оксидов алюминия, калия, натрия, кальция и магния увеличивается.
Кислотная обработка приводит к частичному разрушению глинистых минералов, что иллюстрируется уменьшением содержания полуторных оксидов в химическом составе образцов. Количество оксида кремния увеличивается до 75,20 %, свободного оксида кремния – до 19,20 %.
Рентгеновским методом установлено, что образовавшийся в результате разрушения кристаллической структуры монтмориллонита кремнезем является аморфным. В ходе замещения обменных ионов металлов на ионы водорода кислоты и ионы алюминия, которые переходят из структурных позиций в обменные, поверхность бентонита приобретает кислые свойства.
Таблица 2
Состав природного и модифицированного бентонитов
Катионы | Содержание катионов, ммоль/100 г сухого вещества | |||
Бентонит | ||||
природный | обогащенный | модифицированный | ||
Серной кислотой | Карбонатом натрия | |||
Na+ | 8,4 | 8,6 | 1,3 | 38,1 |
K+ | 1,4 | 1,5 | 0,6 | 2,0 |
Ca2+ | 13,3 | 16,6 | 15,0 | 5,1 |
Mg2+ | 12,8 | 13,1 | 6,0 | 3,0 |
Суммарно | 35,9 | 39,8 | 22,9 | 48,2 |
Модифицирование карбонатом натрия оказывает влияние на химический состав бентонита. За счёт снижения содержания оксида кремния, в процессе растворения свободного кремнезема в щелочной среде, количество оксидов алюминия, железа, щелочных и щелочноземельных металлов в образцах увеличивается. В результате замещения щелочноземельных металлов в ионообменном комплексе на ионы натрия, содержание последних возрастает в 4,4 раза, что приводит к увеличению ионообменной емкости глины от 75 мг-экв / 100 г глины до 120 мг-экв / 100 г глины.
Для оценки катионообменной емкости бентонита использовали метод поглощения красителей основной природы (таблица 3). Определено, что образцы бентонита, за исключением модифицированного кислотой, проявляют высокую адсорбционную способность по отношению к органическому красителю метиленовому голубому (МГ), в том числе при повышенной адсорбционной нагрузке.
Таблица 3
Адсорбционные свойства природного и модифицированного бентонитов по отношению к органическому красителю
Показатели | Величина показателя | |||
Бентонит | ||||
природный | обогащенный | модифицированный | ||
Серной кислотой | Карбонатом натрия | |||
Степень адсорбции, мг/г | 72,6 | 65,0 | 38,7 | 87,1 |
Степень поглощения, %, при адсорбционной нагрузке, мг/г: 37,5 75,0 150,0 | 97,9 92,6 55,4 | 98,9 96,4 68,2 | 13,5 12,7 9,7 | 98,3 93,5 56,6 |
Модифицирование кислотой приводит к разрушению кристаллической структуры глинистых минералов вследствие вымывания ионов алюминия, железа и магния, способствуя развитию поверхности. Удельная поверхность бентонита возрастает с 24 до 76 м2/г за счет формирования более мелкопористой структуры – средний радиус пор уменьшается с 59 до 33 нм.
Таблица 4
Параметры пористой структуры природного и модифицированного бентонитов
Параметр | Величина параметра | |||
Бентонит | ||||
природный | обогащенный | модифицированный | ||
Серной кислотой | Карбонатом натрия | |||
Суммарный объем пор, см3/г | 0,47 | 0,51 | 0,76 | 0,54 |
Удельная поверхность, м2/г | 24 | 24 | 76 | 48 |
Средний радиус пор, нм | 59 | 64 | 33 | 51 |
Пористость, % | 52 | 54 | 61 | 55 |
Термическая активация – предварительная сушка при температуре 100 °С, а затем 200 °С, улучшает адсорбционные свойства и способствуют развитию поверхности бентонитов, что связано с освобождением от воды адсорбционного пространства. При прокаливании при температурах до 600 °С удаляется структурносвязанная вода и, в связи со снижением степени гидратации поверхности материалов, происходит снижение адсорбционной способности. При прокаливании при температуре 800 °С удельная поверхность уменьшается, что может обуславливаться химическим взаимодействием слагающих породы оксидов, сопровождающимся формированием кристаллических структур иных типов и является причиной изменения адсорбционных свойств бентонитов, модифицированных серной кислотой и карбонатом натрия (таблицы 6, 7).
Таблица 6
Адсорбционные свойства природного и модифицированного бентонитов в зависимости от температуры прокаливания
Бентонит | Степень адсорбции красителя, мг/г, при температуре прокаливания, °С | |||
200 | 400 | 600 | 800 | |
природный | 49,8 | 29,0 | 9,1 | 3,0 |
обогащенный | 75,0 | 25,0 | 8,8 | 3,0 |
модифицированный серной кислотой | 10,0 | 8,1 | 5,5 | 24,6 |
модифицированный карбонатом натрия | 87,1 | 25,0 | 5,0 | 48,4 |
Таблица 7
Удельная поверхность природного и модифицированного бентонитов в зависимости от температуры прокаливания
Бентонит | Удельная поверхность, м2/г, при температуре прокаливания, °С | |||
200 | 400 | 600 | 800 | |
природный | 24 | 20 | 12 | 7 |
обогащенный | 24 | 21 | 18 | 6 |
модифицированный серной кислотой | 76 | 42 | 40 | 30 |
модифицированный карбонатом натрия | 48 | 39 | 32 | 14 |
... очистки природных вод. Киев: Вища школа. 1981. 328 с. 2. Небера В.П. Флокуляция минеральных суспензий. М.: Недра. 1983. 288 с. 3. Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат. 1984. 202 с. 4. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: Свойства. Получение. Применение. М.: Химия. ...
0 комментариев