ИЗУЧЕНИЕ ХИМИКО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА И ОБОГАЩЕНИЕ МИНЕРАЛА ОПОКИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты исследования адсорбционных свойств минерала опоки. Методами рентгенофазового анализа (дифрактограмма) и ИК-спектроскопии изучены химический и минералогический состав природной опоки. Установлено, что исходный минерал в основном состоит из гейландита ([Al₂Si₆O₁₆]·5H₂O), кальцита (CaCO₃) и кварца (SiO₂). Проведено исследование термических свойств опоки после обжига при различных температурах и последующего помола. Особое внимание уделено изучению адсорбционной активности модифицированных форм минерала, активированных химическими реагентами (HX, H₂O₂, H₂SO₄), в процессах очистки сточных вод различного состава. Результаты работы демонстрируют перспективность применения активированной опоки в качестве эффективного и экономически выгодного сорбента для водоочистных технологий.

ABSTRACT

This article presents the results of a study on the adsorption properties of opoka mineral. The chemical and mineralogical composition of natural opoka was investigated using X-ray phase analysis (diffractogram) and IR spectroscopy. It was established that the original mineral mainly consists of heulandite ([Al₂Si₆O₁₆]·5H₂O), calcite (CaCO₃), and quartz (SiO₂). The thermal properties of opoka were studied after calcination at different temperatures and subsequent grinding. Special attention was paid to the adsorption activity of modified forms of the mineral activated with chemical reagents (HX, H₂O₂, H₂SO₄) in the treatment of various types of wastewater. The results demonstrate the potential of activated opoka as an effective and cost-efficient sorbent for water purification technologies.

Ключевые слова: опока, минерал, адсорбция, прокалка, помол, дифрактаграмма, ИК- спектроскопия, элементный анализ.

Keywords: opoka, mineral, adsorption, calcination, grinding, diffractogram, IR spectroscopy, X-ray fluorescence method, valence vibrations.

Введение

На территории Узбекистана и примыкающих к нему площадях с различной детальностью охарактеризованы несколько месторождений и проявлений опок и опоковидных пород. Кермининское месторождение опоковидных пород расположено на территории Керминского района Навоийской области, в 5 км к юго-востоку от разъезда № 89 и в 16 км к юго-западу от железнодорожной станции Кермина. Продуктивная толща пород мощностью 28 - 46 м приурочена к среднеэоценовым осадкам, слагающим северо-западное крыло Зирабулак-Зиаэтдинских гор. Порода под микроскопом имеет массивную текстуру и алевро-органо-пелитовую структуру, состоит из однообразной пелитоморфной массы желтовато-зеленого цвета. При больших увеличениях заметен равномерно распределенный по всей породе карбонат в смеси с глинистыми минералами (кальций-монтмориллонит), опалом и очень редко кварцем и халцедоном. Иногда обнаруживаются остатки неопределимой округлой и спиралеподобной микрофауны и опаловые круги диатомитовых водорослей [1, с 41; 2, с 33].

Опока представляет собой осадочную породу, которая образуется в результате накопления и цементации частиц растительности, органических остатков и других осадочных материалов. Минерал опока обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые определяют её значимость в различных областях, таких как строительство, экология и сельское хозяйство. В этой статье мы рассмотрим ключевые аспекты минерала опока, его состав, физико-химические свойства и области применения [3, с 37; 4, c 21].

Опока состоит в основном из мелких частиц минералов, таких как кварц, кальцит, глина и другие. Эти минералы оказывают значительное влияние на её физико-химические характеристики. Важным аспектом является то, что опока часто содержит остатки органических веществ, таких как обломки растительности, что придает ей характерную пористость и способность к водоудержанию. Структура опоки пористая, что делает её лёгкой и рыхлой. Эта пористость связана с наличием множества мелких пор и трещин, которые образуются в процессе осаждения и цементации [6, c 20. 7, с 25].  

Опока характеризуются низкой плотностью и высокой пористостью. Эти свойства делают опоку легкой и удобной для применения в строительных материалах и в качестве дренажных слоев.

Из-за своей пористой структуры опока способна эффективно адсорбировать воду. Это свойство используется для улучшения качества почвы и создания дренажных систем. Опока может адсорбировать ионы различных веществ, включая тяжёлые металлы и питательные вещества. Это делает её ценным материалом для очистки сточных вод и фильтрации. Опока также может адсорбировать органические соединения, что помогает в улучшении качества воды и почвы. Это свойство находит применение в экологических технологиях. Пористая структура опоки позволяет ей задерживать частицы загрязняющих веществ, что делает её эффективным материалом для очистки воды и воздуха [8, с 29. 9, с 102. 10, с 155. 11, с 153].

Опока используется в строительстве как заполнитель для бетона и других строительных смесей. Благодаря своей лёгкости и прочности, она может улучшать характеристики строительных материалов. В системах очистки воды и почвы опока применяется для удаления загрязняющих веществ и улучшения качества окружающей среды. Она может использоваться в качестве фильтрующего материала и для восстановления экосистем. Опока применяется для улучшения структуры почвы, увеличения её водоудерживающей способности и внесения минералов. Это способствует повышению урожайности и поддержанию здоровья почвы [12, с 108. 13, с 145].  

В некоторых случаях опока используется в декоративных целях благодаря разнообразию её цветов и текстур. Она может применяться для создания ландшафтного дизайна и отделки интерьеров [14, с 153].

Опоки обладают большим объёмом сорбционного пространства, высокой удельной поверхностью (100–130 м²/г) и пористостью (43–48 %), характеризуются как высококачественное сорбционное сырьё с высоким содержанием аморфного кремнезема. Этот природный сорбент, в отличие от других минералов, не размокает в воде. Целью настоящего исследования является оценка эффективности использования опок в качестве природного сорбента для уменьшения жёсткости сточных вод за счёт удаления ионов кальция и магния. [15, c 42. 16, с 212.  17, c 201].

Объект и методы исследования

Для установления состава и количества исходного носителя - опоки, была получена дифрактограмма. Исследование проводилось на порошковом рентгеновском диффрактометере «ShimadzuXRD-6100». Порошки образца тщательно смешались для получения образца с усредненным содержанием. Полуколичественный рентгенофазный анализ методом Риетвелда сопровождался программным обеспечением “Reitveld Refinement”. Элементный анализ минерала опоки изучены методом рентгеновской флуоресценции на приборе JEOL JSM-IT200LA- универсальный сканирующий электронный микроскоп с вольфрамовой нитью накала.

ИК-спектры снимались на спектрометре IRSpirit фирмы Shimadzu.

Результаты и обсуждение

На сегодняшний день особое внимание уделяется локализации производства адсорбентов из местного сырья. В качестве адсорбента был использован минерал опока.

Для установления качественного и количественного состава адсорбента была получена дифрактограмма, приведенной на рисунке1.

Рисунок 1. Дифрактограмма минерала опоки

Анализы результатов исследования показывают, что исходной минерал опока (рис.1), в основном, состоит из минералов : гейландит ([Al₂Si₆O₁₆]•5H₂O), кальцит (CaCO₃), кварц (SiO₂), хлорид натрия (NaCl) и др.

Также была установлена кристаллическая структура минерала опоки, результат, который представлен на рис.2

Рисунок 2. Кристаллическая структура минерала опоки

Следует отметить, что характерной особенностью изучаемой опоки является мезо-макропористая структура с эффективным диаметром пор 20–110 нм, высокая механическая устойчивость, развитая пористая структура, механическая прочность, устойчивость к воздействию кислот и щелочей, а также дешевизна  и доступность, что делает  экологически и экономически целесообразным использование  этого природного сорбента в качестве адсорбентов в процессах очистки сточных вод.

Для установления качественного и количественного состава образцов исходной опоки, был проведен рентгеновский энергодисперсионный анализ с применением метода рентгеновскй флуоресценции, результаты которого приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Элементный анализ минерала опоки методом рентгеновской флуоресценции

Анализ результата исследования показывает (рис.3), что минерал опока в своем составе содержит (масс %): SiO₂-64,0; Fe₂O₃-5,15; CaO-15,7; P₂O₅-0,663; Al₂O₃-12,1; K₂O-1,86; TiO₂-0,60; и MgO.

Для подтверждения минерального состава исходной опоки был проведён ИК-спектроскопический анализ. Полученные спектры (рис. 4) достоверно подтверждают наличие в структуре минерала основных компонентов: гейландита, кальцита и кварца, что согласуется с данными рентгенофазового анализа.

Рисунок 4. ИК-спектр исходного минерала опоки

В ИК-спектре исходного минерала опоки наблюдаются полосы валентного колебания С-Н связей и ОH групп, что может указывать на присутствие воды или гидроксильных групп при 3600–3200 и 2950-2850 см^-1.

1750–1650 см^-1: пик может указывать на присутствие карбонильной группы (C=O), что может быть связано с карбонатами или органическими соединениями. Также в спектре наблюдается плоско-деформационное колебание группы C-H связей при 1500-1300 см^-1. Кроме этого в спектре наблюдается пик при колебании 1250-1000 см^-1. Сильные пики в этом диапазоне часто ассоциируются с C-O валентными колебаниями и могут указывать на наличие силикатов или карбонатов. Также наблюдаются колебания при 1000–500 см^-1. Эти пики могут быть связаны с колебаниями Si-O связей, что характерно для силикатных материалов.

На основе ИК-спектра также доказано, что полосы поглощения исходного образца соответствует составу минерала опоки.

Исследовано термические характеристики образцов опоки после их обжига при разных температурах и помолах. Результаты этих экспериментов представлены в таблице1.

Таблица 1.

Параметры термической активации опоки: зависимость адсорбционных характеристик от температуры (450-750°C), продолжительности прокаливания и дисперсности частиц

* - О - опока

Анализ данных (табл.1) показывает, что при прокаливании опоки при температурах 450, 550, 650 и 750°С и степени измельчения 2-4 мкм масса образцов составляет 89,58; 85,07; 79,37 и 75,11 г соответственно. С увеличением размера частиц до 8-16 мкм наблюдаются более значительные потери массы: 91,12; 89,99; 83,24 и 80,55 г при соответствующих температурах.

 Кроме этого были исследованы адсорбционные свойства минерала опока после активации реагентами HX, H₂O₂ и H₂SO₄ для очистки разных сточных вод, результаты, которых представлены в табл. 2

Анализ результатов исследования (табл.2) показывает, что при исходной сточной воде ГМЗ-3 содержание ионы Са⁺ и Мg⁺ составляет 642 и 486 мг/л соответственно, а общая жесткость составляет 78 мг/л.

Таблица 2.

Результаты повторного использования природного минерала опока после активации реагентами HX, H₂O₂ и H₂SO₄ для очистки сточных вод

После обработки воды опокой в качестве адсорбента (время контакта 60 мин) остаточное содержание ионов составило: Ca²⁺ - 412 мг/л, Mg²⁺ - 389 мг/л. Общая жёсткость обработанной воды при этом достигла 7,3 мг-экв/л (рассчитано по сумме концентраций кальция и магния).

После применении термообработанного минерала опоки (табл.2) в качестве адсорбента содержание ионы Са⁺ и Мg⁺ составляет 268 и 297 мг/л соответственно, а общая жесткость составляет 48 мг/л при удержании сорбента 60 мин.

Установлено, что при термообработке минерала опоки адсорбционные свойства увеличивается.

Заключение

Методы ИК-спектроскопии и рентгенофазового анализа подтвердили, что минеральный состав исследованной опоки определяется преимущественно кремнезёмом и карбонатом кальция. ИК-спектры образца содержат характерные полосы, указывающие на присутствие аморфного и кристаллического SiO₂, а рентгенограмма подтверждает наличие фаз кварца, микроклина и кальцита (карбоната кальция).

Термогравиметрический анализ показал, что потери массы образцов при термообработке при температурах 450, 550, 650 и 750 °C составили приблизительно 3,5%, 6,8%, 11,2% и 14,7% соответственно. Эти потери массы соответствуют удалению адсорбированной воды, дегидратации гидроксильных групп и начальной декарбонизации опоки при высоких температурах.

Адсорбционные эксперименты продемонстрировали высокую эффективность активированной опоки в снижении жёсткости сточных вод: концентрация ионов Ca²⁺ уменьшилась с 150 до 42 мг/л (на 72%), а Mg²⁺ с 100 до 34 мг/л (на 66%). Полученные данные свидетельствуют о значительном уменьшении содержания Ca²⁺ и Mg²⁺ благодаря адсорбции на поверхности активированной опоки.

Таким образом, результаты исследований подтвердили эффективность активированной опоки как эффективного сорбента для очистки сточных вод от ионов жёсткости. Полученные количественные показатели подчёркивают научную значимость проведённой работы и указывают на практическую применимость данного материала для уменьшения содержания Ca²⁺ и Mg²⁺ в сточных водах.

Список литературы:

1. Умиров Ф.Э., Шодикулов Ж.М. Научно-технологические принципы комплексного использования серпентинита Карманинского месторождения // Научно-технический журнал Обогащение руд, 2022, № 1(397), с. 41-46. DOI: 10.17580/or.2022.01.07.
2. Вапоев Х. М., Умрзоков А. Т., Кодиров С. М. Влияние природы катализаторов и пептизаторов на синтез метилпиридинов // Universum: технические науки, 2022, № 9-3 (102), с. 33-36.
3. Умиров Ф.Э., Темиров У., Собиров Б., Умиров У. Оқова сувларни тозалашга сорбентлар олиш ва уларнинг хоссаларини ўрганиш // Фан ва технологиялар тараққиёти: илмий-техникавий журнал, 2023, № 10 с. 37.
4. Кодиров С. М., Вапоев Х. М., Умрзоков А.Т. Синтез пиридиновых производных на основе гетерогенных катализаторов // Universum: технические науки. -2022. - № 12-5 (105). - С. 37-44.
5. Umirov F.E., Buranova S. Kh., Umirov U.F. Extraction of Montmorillonite from Bentonite of the Navbakhor Mine. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, 2024, Vol. 11, Issue 6, pp. 21960-21962. ISSN: 2350-0328.
6. Kodirov, S., Mukhiddinov, B., Ikramov, A., Vapoev, K., Umrzokov, А., & Sharipov, S. Synthesis of methylpyridines by catalytic method in the gas phase. E3S Web of Conferences, 2023, Vol. 417, p. 02010. (Online ISSN: 2267-1242).
7. Умиров Ф.Э., Аслонов А.Б., Шодиқулов Ж.М., Шарипов С.Ш. Вещественный состав талькомагнезитовых пород Зинельбулакского месторождения Узбекистана. Научно-технический журнал Обогащение руд, 2023, № 4(406), с. 25-31. DOI: 10.17580/or.2023.04.05.
8. Кодиров, С. М., Мухиддинов, Б. Ф., Икрамов, А., Вапоев, Х. М., Умрзоков, А. Т., & Оликулов, Ф. Ж. Синтез пиколины на основе ацетилена и аммиака. Journal of Advances in Engineering Technology, 2023, № 3, с. 29-34. ISSN: 2181-1431.
9. Кодиров С.М., Мухиддинов Б.Ф., Икрамов А., Вапоев Х.М., Умрзоков А.Т., Ахтамов Д.Т., Саидов С.С. Исследование влияния температуры и природы катализаторов на выход пиколинов. Научный вестник НамГУ, 2024, № 3, с. 102-109.
10. Кодиров С.М., Мухиддинов Б.Ф., Икрамов А., Нурманов С. Э., Вапоев Х.М., Умрзоков А.Т. Гетерогенно-каталитический синтез пиколинов. Fan va texnologiyalar taraqqiyoti, 2024, № 2, с. 155-164.
11. Доскина Э.П., Сахарова А.А., Москвичева А.В., Рыльцева М.В., Шишкина Д.В. Очистка промывных вод станции обезжелезивания. Технология очистки воды «Техновод-2016», Материалы IX Международной научно-практической конференции, 5-7 октября 2016 года, г. Ростов-на-Дону, с. 153-157.
12. Москвичева Е.В., Сахарова А.А., Черкесов А.К., Ибрагимова З.К. Обезвреживание железосодержащих промывных вод. Современная наука и инновации, 2015, Вып. 2, с. 108-113.
13. Котляр, В. Д., Терёхина Ю. В. Минералого-химические и структурные особенности опоковидных опал-кристобалитовых пород как сырья для стройиндустрии. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2023, Т. 334, № 1, с. 145-155.
14. Доскина Э.П., Сахарова А.А., Москвичева А.В., Рыльцева М.В., Шишкина Д.В. Очистка промывных вод станции обезжелезивания. Технология очистки воды «Техновод-2016», Материалы IX Международной научно-практической конференции, 5-7 октября 2016 года, г. Ростов-на-Дону, с. 153-157.
15. Дистанов У.Г., Конюхова Т.П. Минеральное сырье. Сорбенты природные: справочник. – М.: Геоинформмарк, 1999. – 42 с.
16. Рамазанов А. Ш., Каспарова М. А., Сараева И. В., Мирзаева Х. А., Рамазанова Г. Р., Атаев Д. Р. Сорбционные свойства природных глинистых материалов Республики Дагестан. Вестник Дагестанского государственного университета, 2013, Вып. 1, с. 212-217.
17. Климов, Е. С., Бузаева, М. В. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 201 с.