Механо-химическая активация бентонитовых глин Крантауского месторождения

В последние годы в связи с развитием различных отраслей экономики Каракалпакстана все более актуальным становится вовлечение в переработку собственных природных ресурсов. Бентонитовые глины являются одними из перспективных видов сырья, запасы которого в Каракалпакстане довольно значительны [1].

Использование природных бентонитовых руд связано с их переработкой. Необходимость переработки руд обусловлена наличием в их составе большого количества примесей, отрицательно влияющих на их технологические характеристики. Начинается этот процесс с удаления крупных кусков породы, содержащих большое количество включений различных неглинистых минералов. Отсортированные глинистые минералы промывают водой, высушивают и измельчают, в результате можно получить обогащенные формы глин.

В зависимости от цели и задач получение необходимых технологических параметров глин и их суспензий применяют способы активации и модификации глин. Активация – безреагентное воздействие на структуру глин (механоактивация, электромагнитная обработка и воздействие ультразвука). Модификация – введение определенных количеств модифицирующих добавок, в результате чего происходит перестройка кристаллической структуры глинистых минералов. Это дает возможность целенаправленно изменить коллоидно-химические свойства суспензий глин.

Таким образом, основными задачами, решению которых посвящена настоящая работа, являлись исследования влияния ультразвуковой активации и щелочной модификации на реологические свойства водных суспензий глин Крантауского месторождения, для последующего получения глинистых суспензий в соответствии с требуемыми технологи­ческими регламентами на применение растворов.

В качестве основного объекта исследования была выбрана глина Крантауского месторождения, химический, минералогический и гранулометрический составы которой были ранее изучены [2].

Для установления значений времени воздействия ультразвуковой обработки и оптимальных количеств модификаторов глин изучали изменение значении ξ – (дзета) электрокинетического потенциала, условной вязкости, СНС и коэффициента стабильности (С – отношение значений удельного веса верхней и нижней частей суспензий) суспензий.

Диспергирование глин зависит от частоты и времени ультразвуковой обработки, так для монтмориллонитовых глин это частоты в пределах 13-15 кГц и время обработки 10-12 мин, для каолиновых глин 40-100 кГц [3]. Поэтому в наших исследованиях для изучения влияния ультразвуковой обработки на реологические свойства глинистых суспензий пробы подвергались воздействию ультразвуковым полем мощностью 20 кГц в течение 0 и 20 мин.

Приготовленные водно-глинистые суспензия с 10 % содержанием глины по массе и структурировались в течение 24 ч, после чего были использованы в эксперименте. После 24 ч набухания рН глинистой суспензии составила 7,5-7,6, плотность – 1,063 г/cм³, условная вязкость – 28 с, СНС – 24 мгс/см² (табл. 1).

Изменение коллоидно-химических и электрокинетических параметров суспензий

В начальный период озвучивания (0-2 мин) происходит незначительное увеличение условной вязкости. Однако в процессе наблюдается увеличение кинетической устойчивости системы, о чем свидетельствует нулевые значения суточного отстоя. Увеличение условной вязкости под действием ультразвуковой обработки связано с эффективным диспергированием частиц глин, механизм которого изложен в литературе [3]. В процессе диспергирования частиц глины происходит увеличение удельной поверхности и соответственно значении свободной поверхностной энергии в несколько раз, при этом возросшие силы молекулярного действия начинают препятствовать дальнейшему разрушению кристаллов. Диспергирование замедляется или полностью прекращается. При дальнейшей обработке начинается агрегация частиц дисперсной фазы, о чем свидетельствует уменьшение значении условной вязкости и ξ-потенциала суспензий. Так экспериментальные данные, полученные при определении условной вязкости суспензий, подвернутой ультразвуковой обработке в течении 15 мин и более показывают её уменьшение до 24 с. Однако после выдержки 48 ч, условная вязкость увеличивается до первоначальной значении. При этом сохраняется высокие значения СНС.

Проведена сравнительная характеристика глинистого сырья и их суспензий, подвергнутых различными способами модифицирования. Так, при добавлении в исходную суспензию Na₂CO₃ в количестве 2 % от сухой массы глины, вязкость повысилась до 31 с, коллоидальность до 56 % против 49 %. При ультразвуковой активации полученной суспензий аналогичные показатели возросли соответственно до 56 с и 91 %.

Для рассматриваемых суспензий определен ξ-потенциал (табл. 2). Из данных таблицы 2 видно, что ξ-потенциал имеет отрицательный заряд. Это доказывает, что молекулы воды не полностью компенсируют отрицательный заряд глинистой частицы при формировании адсорбционного слоя коллоидной частицы. Следует отметить, что измеренные значения ξ-потенциала характеризуют энергетическое состояние на поверхности адсорбционного слоя коллоидной частицы.

Изменение коллоидно-химических и электрокинетических параметров суспензий обработанных с кальцинированной содой в количестве 2 % от массы сухой глины

Для первой суспензий во время приготовления значение электрокинетического потенциала падает почти до нулевых значений, а рН суспензий достигает 12-13. После 24 ч выдержки суспензий рН суспензий уменьшается до 9,5-10 и значения электрокинетического потенциала достигает самых высоких значений, это же свидетельствует о агре­гативной устойчивости суспензий приготовленный на основе бентонитовых глин Крантауского месторождения, т.е. минимальной скорости структурообразования.

Модифицирования кальцинированной содой и ультразвуковая обработка в течение 5-7 мин способствует увеличение условной вязкости и СНС суспензий до 54 с и 80, а СНС₁ до 86 мгс/см². Как показано на данных таблицы 2 максимальная скорость структурообразования соответствует наименьшему значению электрокинетического потенциала суспензий.

Так, в результате ультразвуковой обработки суспензий глин Крантауского месторождения в зависимости от её продолжительности, происходят, как и диспергирование, так и агрегирование частиц глины. Так же, воздействия проявляет изменение вязкости и структурообразование в системе.

Анализируя вышеприведенные данные и исходя из общих закономерностей и количественной оценки устойчивости дисперсных систем различного технического назначения, представляется интересным рассмотреть вопросы рН среды, электролитов, ПАВ и других модифицирующих добавок на изменение кристаллической структуры и коллоидно химические свойства глин Крантауского месторождения и дальнейшее развитие данной области изучения.