ПОЛУЧЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ЦЕОЛИТОВ НА ОСНОВЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ

АННОТАЦИЯ

В данной работе приведены результаты исследований по изучению возможности получения синтетических цеолитов на основе полевого шпата. Гидротермальным методом при температуре 175-250 °C и 40-100 часовом опытах показаны возможности получения низкомодульных цеолитов. ИК-спектрометрическим методом установлено что, цеолиты можно получить из полевого шпата с содержанием каолина и без него. Минимальное время синтеза должно быть не менее 40 часов. 

ABSTRACT

This paper presents the results of studying the possibility of obtaining synthetic zeolites based on feldspar. The hydrothermal method at temperatures of 175-250 °C and 40-100 hour experiments shows the possibility of obtaining low-modulus zeolites. Using the IR spectrometric method, it was established that zeolites can be obtained from feldspar with and without kaolin content. The minimum synthesis time must be at least 40 hours.

Ключевые слова: цеолиты; полевой шпат; гидротермальный синтез; минеральный состав.

Keywords: zeolites; feldspar; hydrothermal synthesis; mineral composition.

Введение

Получение синтетических цеолитов важно для разделения и очистки сложных химических смесей нефтегазовой промышленности, а тот факт, что годовой объем производства цеолитов составляет несколько миллионов тонн, обусловливает актуальность темы.

Вопрос производства синтетических цеолитов на основе дешевого сырья с применением простых технологических процессов по-прежнему остается актуальным, что объясняется нехваткой природных цеолитов в нашей Республике. При этом следует отметить, что исследования по получению синтетических цеолитов редко выходят за рамки лабораторного эксперимента.

Природные месторождения цеолитов по всему миру ограничены. Поэтому важна разработка методов получения синтетических цеолитов с высокой эффективностью на основе местного сырья, что позволит сэкономить валютные средства за счет импортозамещения.

Анализ литературных данных показывает, что для получения цеолитов используются минералы, содержащее 30-40% природного цеолита [1], а также сырье, пригодное для его синтеза, такие как каолин, полевой шпат и другие [2].

Цеолит Х-типа впервые получен с использованием нефелинового концентрата. Условия синтеза также были достаточно мягкими и проводились при 95 °С в течение 24 часов (SiO₂/Al₂O₃=4,8; Na₂O/SiO₂=2,4; H₂O/Na₂O=40) [3].

Помимо каталитических свойств цеолитов широко изучаются ионообменные свойства, которые проявляются благодаря значительной подвижности катионов, компенсирующих заряд каркаса [4]. Метод ионного обмена является одним из ценных методов очистки промышленных и сточных вод от ряда токсичных веществ, в том числе тяжелых металлов [5, 6]. Наиболее распространенными обменными катионами цеолитов являются щелочные и щелочноземельные металлы, многие из которых можно частично или полностью заменить на другие катионы без повреждения каркаса. Новый тип антимикробных сорбентов получен путем модификации синтетических цеолитов наночастицами серебра [7].

На основании вышеизложенного, следует отметить необходимость проведения исследований по получению синтетических цеолитов на основе полевого шпата.

Целью настоящей работы является изучение возможности получения синтетических цеолитов из некоторых минералов, имеющихся на территории Самаркандской области.

Экспериментальная часть

В работе использовали образцы минералов, отобранных из месторождений Сазаганского МФУ Нурабадского района Самаркандской области, которые являются сырьем для местной промышленности. Образцы подвергали элементному анализу с использованием рентгенофлуоресцентного метода на приборе «NexDE» (Rigaku) [8]

По результатам анализа основной оксидный состав пробы, отобранной с участка № 1, оказался следующим:

Na₂O(4,45); Al₂O₃ (12,6); SiO₂ (73,5); К₂О (5,11); СаО (1,86); Fe₂O₃ (1,37) и другие компоненты.

Из полученных результатов видно, что соотношение Si:Al составляет 4,96, что позволяет получать низко- и среднемодульный цеолит [8]. Общее количество некоторых оставшихся металлов и оксидов неметаллов составило 0,209% и не учитывалось из-за их незначительности.

Следующий этап экспериментов проводился по анализу рентгеновских спектров образцов. Эксперименты проводились на порошковом дифрактометре XRD-6100 (Shimadzu, Япония) для определения кристаллических свойств геологических отложений. При сравнении полученных результатов с базой данных было установлено, что минеральный состав образца, следующий: кварц (32,37); альбит (7,22); микроклин (29.01); москвич (1,98); циркон (0,067); ортоклаз (1,73); плагиоклаз-олигоклаз (26,33) и другие компоненты в небольших количествах. Остальные минералы состоят из нескольких форм с общим содержанием 3,09%.

Дальнейшие эксперименты проводились в направлении получения синтетического цеолита гидротермальным методом. Для этого грубо измельченную минеральную пробу смешивали с необходимым количеством насыщенного раствора едкого натрия и автоклавировали при температуре 175-250 °С в течение 40-100 часов. Полученную массу тщательно промывали дистиллированной водой, сушили.

Результаты и обсуждение

Для проведения предварительных испытаний, показывающих то, что полученные продукты являются цеолитами, изучали ИК-спектры (IRaffinity-1S, Shimadzu, Япония), сравнивая их с компьютерной базой данных. Ниже представлен ИК-спектр продукта, полученного в ходе экспериментов, проведенных на образце при температуре 250 °С в течение 60 часов (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектр полученного продукта (вверху) и результат его сравнения с базой данных (внизу)

Полученные данные, в частности сравнение ИК-спектра с базовым, позволяют сделать вывод, что он аналогичен спектру, типичному для цеолитов, следовательно, поставленная в результате синтеза цель - достигнута.

Для оценки влияния соотношения компонентов и условий реакции (температуры и продолжительности реакции) на состав продукта процесс проводили при различных режимах соотношения компонентов и условий.

В таблице 1 представлены результаты экспериментов по изучению влияния состава исходных веществ на получаемых цеолитов.

Таблица 1.

Влияние соотношения компонентов на процесс образования цеолита

*- образование цеолитов определяли по ИК-спектрам.

А)

Б)

Рисунок 2. ИК-спектры цеолита: А) полученного из полевого шпата; Б) полученного из полевого шпатас каолином

По результатам ИК-спектра (рис.2) видно, что во всех образцах с каолином и без него образовались цеолиты. Отсюда следует вывод, что цеолиты можно получить из самого полевого шпата.

На рисунке 3 показаны ИК-спектры цеолитов, полученных при одинаковой температуре и различной продолжительности проведения гидротермального синтеза.

А)

Б)

Рисунок 3. ИК-спектры образцов, синтезированных гидротермально при 250 °С в течение 40 часов (А) и 96 часов (Б)

Из полученных результатов было показано, что цеолит можно получить гидротермальным методом при температуре 250 °С в течение не менее 40 часов.

Выводы

В результате экспериментальных исследований показана возможность получения цеолитов на основе полевого шпата местных сырьевых ресурсов. Доказательством этого послужила информация об их составе, полученная энергодисперсионным, рентгенофлуоресцентным и рентгеноструктурным методами, показывающими возможность получения синтетического цеолита с низким и средним модулем.

Показано, что в опытах продолжительностью 40-100 часов в интервале температур 175-250 °С гидротермальным методом можно получать синтетические низкомодульные цеолиты на основе полевого шпата с различным соотношением компонентов. Сравнением ИК-спектров синтезированных продуктов доказана их принадлежность к цеолитам.

Список литературы:

1. Казанцева Л.К. Формирование ячеистой структуры и технология пеноматериалов из цеолитсодержащего сырья // Автореф. дисс... к.т.н. Томск, 2001. 42 - с.
2. Рахимов Р.С., Бадритдинова Ф.М., Кодиров О.Ш. Рентгенофазное исследование минералогического состава полевого шпата для получения цеолита на его основе // Универсум: технические науки: электрон. научн. Журнал. 2023. 6(111). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/15658
3. Шайдулина А.А. Разработка технологии получения цеолитов и гидроксида алюминия при переработке нефелинового концентрата // Автореф. дисс... канд. тех. наука Санкт-Петербург, 2019.
4. Ахмад М.Б. Синтез и антибактериальная активность нанокомпозитов серебро/монтмориллонит / М.Б. Ахмад, К. Шамели, W.M.Z.W. Юнус // Res J Biol Sci.-2009.- Т.4(9).-С. 1032-1036.
5. Цзюнн-Джер, Хван. Получение, морфология и антибактериальные свойства нанокомпозитов полиакрилонитрил/монтмориллонит/серебро / Хван Цзюнь-Джер, Те-Вэй Ма // Химия и физика материалов. -2012. -В. 136. И. 2–3.-П. 613-623.
6. Баерлохер К. Атлас типов каркасов цеолитов / К. Баерлохер, Мак Л. Каскер, Д.Х. Олсон // 6-е исправленное изд. Эльзевир, Амстердам. -2007. -С.302.
7. Голубева О.Ю. Пористые алюмосиликатные слоистое и каркасное строение: синтез, свойства и разработка композиционных материалов и базовые решения для медицины, экологии и катализа // Автореф. дисс… докт.хим.наук. Санкт-Петербург, 2016.
8. Арипова М.Х. и другие. Получение низкомодульных синтетических цеолитов на основе местного сырья (сообщение 1) // Universum: химия и биология: электрон. научн. журнал. 2022. 2(92). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12967