Структурные характеристики бентонита Крантауского месторождения

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты исследования бентонитовых глин Крантауского месторождения. В результате применения комплексных методов анализа структуры установлено, что бентонитовая глина данного месторождения в основном представлена натриевой формой монтмориллонита с примесями иллита, каолинита и полевого шпата.

ABSTRACT

The article presents the results of the study of bentonite clays of the Krantau deposit. As a result of the application of complex methods of structure analysis, it was found that the bentonite clay of this deposit is mainly represented by the sodium form of montmorillonite with admixtures of illite, kaolinite, and feldspar.

Ключевые слова: бентонит, монтмориллонит, глина, адсорбция, очистка сточных вод, органобентонит.

Keywords: bentonite, montmorillonite, clay, adsorption, wastewater treatment, organobentonite.

Введение

Проблема глубокой очистки производственных сточных вод загрязненных различными веществами, является одной из важнейших с точки зрения охраны окружающей среды. Адсорбция является многоцелевым методом очистки, допускающим практически полное очищение от примесей из жидкой среды. Адсорбционная очистка отличается эффективностью во всех интервалах концентраций растворенных поллютантов, особенно при низком содержании загрязняющего вещества. Известно, что для извлечения загрязнителей различной природы из сточных вод, бентонитовые сорбенты должны иметь развитую удельную поверхность с микро и мезопористой структурой. Научные принципы подбора органофильных бентонитов для адсорбционной очистки до настоящего времени не созданы. Поэтому перед разработкой новых адсорбентов необходимо более подробно изучить структуру и свойства исходных материалов.

Объекты и методы исследования

Для исследования с целью получения высокоэффективных сорбентов на основе монтмориллонит содержащих глин были выбраны бентонитовые глины Крантауского месторождения, отличающиеся высоким содержанием минералов группы смектита (монтмориллонита) [1, 2]. Контрольным образцом были взяты бентонитовые глины Навбахорского месторождения, хорошо известные высокими адсорбционными свойствами [3].

Крантауское месторождение является одним из богатых по содержанию бентонитовых глин, расположенное в центральных районах Каракалпакстана. Выявленные запасы составляет более 5 млн.т. Бентонитовые глины желтого цвета с зеленоватым оттенком, песчано-алевритовая примесь представлена тонкими включениями окисленного рудного минерала.

С целью подробного исследования минералогического состава образцов и влияние модификации на их свойства были выбраны методы рентгенографического, термогравиметрического и электронно-микроскопического анализов.

Съемка рентгенограмм проводилась с помощью рентгеновского порошкового дифрактометра XRD – 6100 (Shimadzu, Japan). Применялось CuK_α – излучение (β-фильтр, Ni, 1,54178 режим тока и напряжение трубки 30 mА, kV) и постоянная скорость вращения детектора 4 град/мин с шагом 0,02 град, а угол сканирования изменялся от 4 до 80º.

Термогравиметрические исследования были выполнены при помощи дериватографа системы Paulik-Paulik-Erdey. Скорость образцов составила 10º/мин, масса исследуемой навески составляла 0,1 г. Дериватограф включает ячейку для дифференциального термического анализа и термовесы для термогравиметрии, которые также регистрируют скорость изменения массы. Ячейка для ДТА имеет регистратор разности температур исследуемого образца и эталона — оксида алюминия Al₂O₃ и регистратор температуры образца. Методика работы включает подготовку прибора к работе, калибровочные процессы, проведение основного испытания, обработку кривых, расчеты и интерпретацию полученных результатов.

Электронно-микроскопические исследования были проведены на электронном сканирующим микроскопе (СЭМ) EVO MA10 SEM Cari Zeiss, который делает возможным просмотр образца на СЭМ, определение его количественного элементного состава, а также получение цветных микрофотографий.

Подготовка проб для рентгенофазового анализа проводилась в соответствии с методическими указаниями [4, 5]. Исследуемые объекты предварительно высушивались до постоянной массы, затем производилось измельчение в агатовой ступке до полного прохождения через сито 006. Сравнением рентгеновских дифрактограмм образцов с дифракционными максимумами, характерных для определенной структуры идентифицированы фазовые составы и определены параметры элементарной ячейки образцов глин [6, 7].

Образцы глин были изучены методами Фурье ИК-спектроскопии на спектрометре Nicolet iS50 Fisher Scientific, а также на УФ-БИК Спекторфотометре (область спектра 185 -3300 нм) UV 3600 Shimadzu.

Для спектральных испытаний были приготовлены образцы в порошкообразном виде и в виде таблеток. Образцы прошли предварительную сушку при 110ºС в сушильном шкафу в течение более 7 часов.

Результаты и их обсуждение

По данным дифрактограммы установлен основной составитель глины Крантауского месторождения (КР) – натриевий монтмориллонит, по характерным для него линиям (1,5450; 1,2923; 0,4484; 0,2592; 0,2489; 0,1767; 1,502 нм). Также отображены линии характерные для иллита (1,0091; 0,445; 0,3795; 0,3236; 0,2971; 0,1639; 0,1502 нм), каолинита (0,7161; 0,2592; 0,1502 нм), гидрослюды (0,4566; 0,3607; 0,2592; 0,1767; 0,1559 нм), полевого шпата (0,3236; 0,2330; 0,1731). Рефлекс d₀₀₁= 1,236 нм. доказывает присутствие натриевой формы монтмориллонита

Данные термического анализа соответствуют результатам РФА. Интенсивный эндотермический эффект наблюдаемый в термограмме КР при температурах 90‑110°С объясняется выделением адсорбционной и межслоевой молекулярной воды. Наличие дополнительного эффекта при температурах с максимумом 500‑520°С вызвано удалением структурной воды. Третий самый слабый эффект при температуре 850-890°С соответствует разрушению безводной модификации монтмориллонита.

Рисунок 1. Дифрактограмма образца КР

Рисунок 2. Кривая термического анализа образца КР

Рисунок 3. Электронно-микроскопический снимок образца КР

Микродифракционный анализ подтверждает результаты, полученные методом химического анализа состава.

Рисунок 4. ИК-спектр образца КР

По данным расшифровки вышеприведённого спектра можно увидеть показатели полос, принадлежащие к валентным связям кремния с кислородом и водорода с кислородом. Четко выраженная широкая полоса при 1040 см^-1 соответствует валентным колебаниям Si-О-Si тетраэдров кремнекислородного каркаса, а полосы 467 и 524 см^-1 - деформационным колебаниям связей Ме-О. Полоса в интервале 797 см^-1 отвечает Si-О-Si колебаниям колец из SiO₄ тетраэдров. Интенсивные полосы в интервале 3100-3500 и 1638 см^-1 относятся к ОН-валентным и деформационным колебаниям свободной и связанной воды [8].

Химический анализ тонких фракций глины выполнялся по ГОСТ 21216-2014, согласно которому определяют весовые проценты SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, MnO, CaO, Na₂O, K₂O и P₂O₅. Из данных проведенного химического анализа следует, что исследуемая глина богата ионами щелочных металлов. В таблице также приводится данные о химическом составе Навбахорского щелочного бентонита (НЩБ), как было уже отмечено в качестве контрольного образца.

Таблица 1.

Химический состав образцов глин

По результатам химического анализа глин стало известно, что исследуемые образцы различаются по содержанию основных оксидов. Исходя из данных таблицы 1. по содержанию оксида натрия в его составе можно предположить большую сорбционную активность образца КР [9].

Таким образом, комплексное исследование бентонита Крантауского месторождения показало, что основным его составляющим является минерал монтмориллонит. Глина данного месторождения отличается от других глин Узбекистана малым содержанием вредных примесных неглинистых материалов.

Список литературы:

1. Калбаев А.М., Абдикамалова А.Б., Артикова Г.Н. Исследование бентонитовых глин Крантауского месторождения // Universum: химия и биология. 2018. №8 (50). С. 15-18.
2. Абдикамалова А.Б., Хамраев С.С. Химико-минералогический анализ бентонитовых глин Крантауского месторождения и возможности повышения эффективности их применения как сырья для получения глинистых буровых растворов // Узбекский химический журнал. 2015(5):- С. 32-35.
3. Нагорнов Р. С. Переработка природных алюмосиликатных материалов в сорбенты для очистки триглицеридов жирных кислот: дис. ... канд. тех. наук. — Иваново., 2018. - С.38.
4. Бриндли, Г.В: Каолиновые, серпентиновые и родственные им минералы. Г.В.Бриндли. - В кн. Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов. - М.: Мир, 1965; - С. 70-135.
5. Хигерович, М. И. Физико-химические и физические методы исследования строительных материалов 7 М. И. Хигерович, А.П. Меркин. — М.: Высшая школа, 1968. - 136 с.
6. Рентгенография основных типов породообразующих минералов (силикаты) / под ред. Франк-Каменецкого. - М.: Недра, 1984. - 261 с.
7. Дриц В. А., Сахаров Б. А. Рентгеноструктурный анализ смешаннослойных минералов. -М.: Наука, 1976. – 252 с.
8. Хаширова С.Ю., Бесланеева З.Л., Мусов И.В., Мусаев Ю.И., Микитаев А.К. Спектральное исследование взаимодействия акрилата и метакрилата гуанидина с монтмориллонитом // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8-1. – С. 202-206.
9. Кормош Е.В., Алябьева Т.М., Погорелова А.Г. Химико-минералогические аспекты возможности использования глин белгородской области в разработке сорбентов для очистки сточных вод // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8 (часть 1) – С. 131-136.