Технология разделения монтмориллонита с наночастицами из бентонитовой глины Каракалпакстана

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты исследования технологии получения монтмориллонита из бентонитовой глины. Изучены физико-химические свойства бентонитовых глин и монтмориллонита на его основе. При этом установлена возможность получения монтмориллонита с высокими дисперсностями.

ABSTRACT

This article presents the results of a study on the development for obtaining montmorillonite from bentonite clay. The physicochemical properties of bentonite clays and montmorillonite on its basis have been studied. At the same time, the possibility of obtaining montmorillonite with high dispersion was established.

Ключевые слова: Бентонит, дисперсность, структура, технология, пластичность, вязкость, гидроксил, сетка, решетка, кристалл, плотность, поглощение, обезвоживание, степень, атом, катион, маслоемкость, наполнитель, гистограмма.

Keyword: Bentonite, dispersion, structure, technology, plasticity, viscosity, hydroxyl, mesh, lattice, crystal, density, absorption, dehydration, degree, atom, cation, oil absorption, filler, histogram.

Введение. В последние годы во всем мире природные бентонитовые глины стали использоваться в животноводстве, сельскохозяйстве, водном хозяйстве, пищевых производствах, фармацевтике и нефтехимических отраслях [1].  В Республике проводятся научно-исследовательские работы по изучению физико-химических свойств минеральных ресурсов для применения в производстве. К настоящему времени уже реализуется ряд мероприятий, направленных на решение этой общей проблемы, среди которых большое место принадлежит разработке технологии разделения монтмориллонита из бентонитовых глин Каракалпакстана, отличающихся своей природой и структурой.

В свете вышеизложенного, целью данной статьи является исследование  технологии разделения монтмориллонита с наночастицами из бентонитовой глины Каракалпакстана и изучение возможности его применения в качестве наполнителя для производства композиционных эластомерных материалов.

Объекты и методы исследование. Объектом исследования являются монтмориллониты Каракалпакстана Муйнакского, Турткульского, Ходжакулького, Кушканатауского, Белтауского и Каратеренского месторождений. Из шести месторождений были отобраны пробы, физико-химические свойства каждой пробы были исследованы трижды и получены среднее значение. Исследования проводили физико-химическими методами исследовании свойств минеральных наполнителей, такие как электронная микроскопия, ИК-спектров, ДТА и стандартных методов химических анализов.

Основная часть. На основе полученных результатов многочисленных исследований установлено [1,2], что бентонитовая глина Каракалпакстана относится и приурочена к верхнеглянцевым отложениям, рН  водной суспензии 7-9. Его химический состав имеет несколько характерных особенностей, молярное соотношение между SiO₂ и Al₂O₃ колеблется от 4 до 5.

Таблица 1.

Химический состав исходных бентонитовых глин Каракалпакстана

Как видно из таблицы 1, практически во всех месторождениях бентонитовых глин Каракалпакстана содержатся оксиды железа, кальция, натрия, магния, титана и водорастворимые солы. В таком виде использовать бентонитовые глины Каракалпакстана в производстве композиционных эластомерных материалов невозможно. Необходимо разработать технолого процесса обогащения или разделения монтмориллонита из бентонитовых глин Каракалпакстана.

Мы для обогащения или разделения монтмориллонита из бентонитовых глин Каракалпакстана разработали следующий технологический процесс, которой основывается на различной плотности минералов:

1.Бентонитовая глина высушивается до постоянного веса при температуре 105-120 ^оС;

2. Высушенный бентонитовая глина отправляется в шаровую мельницу для измельчения комков и отделения монтмориллонита от глины (время 30 мин);

3. Измельченная бентонитовая глина пропускается через магнитное сито для извлечения из бентонитовых глин металлических оксидов;

4. Очищенная от металлических оксидов бентонитовая глина смешивается в смесителе с водой 1:5 для промывки от посторонних примесей и различных солей. Время перемешивания 30 мин при 40 об/мин;

5. Перемешенная бентонитовая глина с водой отправляется в первую делительную воронку, где барбатируется воздухом 30 мин и отстаивается в течение 60 мин. Осажденная бентонитовая глина разделяется по плотности. Сначала нижняя часть - тяжелая глина из реактора отправляется в карьер, средняя часть из реактора отправляется во второй реактор для дальнейшей очистки. Верхняя часть жидкости из реактора отправляется в карьер, в составе которой имеется водорастворимые соли и глины плотности до 3;

6. Во втором делительном реакторе бентонитовая глина перемешивается с водой 20 мин в соотношении 1:10, барбатируется воздухом 30 мин, отстаивается 60 мин и разделяют по плотности;

7. В третьем делительном реакторе бентонитовая глина перемешивается с водой 20 мин 1:10, барбатируется воздухом 30 мин, отстаивается 60 мин и разделяют по плотности;

8. Разделенный монтмориллонит передается в вакуум сушильного барабана, где сушат его до постоянного веса;

9. Высушенный монтмориллонит поступает в диспергатор для окончательного измельчения;

10. Измельченный монтмориллонит отправляется в накопительный бункер и в упаковочную машину.

Таблица 2.

Технологический режим производства монтмориллонита

Исследован химический состав монтмориллонита, полученного предложенным технологическим процессом из бентонитовых глин Каракалпакстана (Таблица 3). Видно, что увеличилось содержанием SiO₂ и Al₂O₃.

Таблица 3.

Химический состав полученного монтмориллонита

Изучение структуры полученного монтмориллонита электронно-микроскопическими исследованиями показало, что оно состоят из частиц чешуйчатой формы, преимущественно плотных и имеющих расплывчатые очертания: местами встречаются также волокнистые складки, образованные, по-видимому, в результате скручивания пластинчатых частиц. Чешуйчатость форм частиц монтмориллонита объясняется, по-видимому, особенностью его кристаллической структуры. Плоскость (0,001) монтмориллонита покрыта сеткой ионов гидроксила, которые обнаруживают сильный поляризующий эффект по отношению к полярным молекулам.

Известно, [2,3] что эти гидроксилы участвуют в образовании, как внутримолекулярных водородных связей, так и межмолекулярных водородных связей. Следовательно, в кристаллической решетке глины имеются как свободные, так и взаимосвязанные гидроксильные группы; состояние этих групп обычно выявляется с помощью ИК- спектров поглощения.

Рисунок 2. ИК спектры монтмориллонита

Результаты изучения ИК- спектров монтмориллонита показывают, что в области 3700-300 см^-1 появляются полосы поглощения, соответствующие колебаниям свободного гидроксила с максимумом при 3636 см^-1, и связанного внутримолекулярной водородной связью с максимумом при 3440 см ^-1.

На рис.3. приведены дифференциальные кривые нагревания ММК. Из этого рисунка видно, что кривые обезвоживания характеризуются двумя эндотермическими эффектами, обусловленными соответственно удалением межпакетной (адсорбированной) и конституционной (гидроксильной) воды находящегося в поглощенном основании. Удаление адсорбированной воды протекает в интервале температур 363-463К и зависит от вида катиона.

Рисунок 3. Термограммы 1-бентонит; 2- монтмориллонита

Выделение гидроксильной воды и образование безводных глин происходит в интервале температур 933-983К, причем наблюдается смещение температуры обезвоживания в сторону уменьшения. Степень этого уменьшения обусловлена размерами атома катиона. В результате исследований установлено, что монтмориллонит обладает высокоразвитой удельно-геометрической поверхностью благодаря этому имеет повышенную маслоемкость (Таблица 4). Последний показатель существенно уменьшается с увеличением содержания ароматических углеводородов в масле.

Таблица 4.

Удельная адсорбционная поверхность и маслоемкость различных месторождений бентонита и монтмориллонита

Как видно из таблицы ММК имеют более развитую удельную поверхность, которая обусловлена их высокой дисперсностью. Детальную информацию о дисперсности наполнителей можно получить при сопоставлении их гистограммы. Массовые и числовые распреде­ления по эквивалентному диаметру частиц ММК определялись методом малоуглового рассеяния лазерного пучка суспензий препарата в н-гептане при постоянном диспергировании на приборе Molvern –SI 11800 с автоматической обработкой результатов по специальной программе на ЭВМ и с числовой выдачей пятнадцати ступенчатых гистограмм. 

Результаты массового и числового распределения частиц ММК по эквивалентному диаметру (Д) приведены в табл. 5. Из таблицы видно, что числового и массового распределения частиц ММК по эквивалентному диаметру свидетельствуют об унимодальном характере распределения.

Таблица 5.

 Характеристики массового и числового распределения частиц ММК по эквивалентному диаметру

Седиментационным анализом частиц ММК выяснено, что наивероятнейший их радиус находится в пределах 5-10 мкм. Качественную оценку смачиваемости и структурирования ММК проводили по методам седиментационных объемов [4]. Исследование показало, что частицы ММК оседание за 3600 минут. Это, по-видимому, связано его структурной особенностью и высокой дисперсностью. При определении смачиваемости ММК в гептане по седиментационному объему наблюдаются отличия в поведении этих систем по сравнению с системами вода – наполнитель. В гептане ММК осаждаются и занимают практически постоянный седиментационный объем 31%в течение 10 минут.

Заключение. Обобщение экспериментальных данных по исследованию технологии разделения монтмориллонита с наночастицами из бентонитовой глины Каракалпакстана позволили оптимизировать технологический процесс и установлена возможность его применения в качестве наполнителя для производства композиционных эластомерных материалов.

Список литературы:

1. Ахмедов К.С. Бентониты Узбекистана. – Ташкент .-1974.-273с.
2. Курбаниязов К.К., Закиров М. З. Бентониты Каракалпакстана // Фан. 1979. -  173 с.
3. Ибадуллаев А.С. Некоторые особенности усиления каучуков общего назначения дисперсными бентонитами. // Композиционные материалы. - 2004. -№2. –С.32-35.
4. Ибадуллаев А.С., Муфтуллаева М.Б. Изучение влияние монтмориллонита Каракалпакстана на технологические свойства эластомерных композиции // Композиционные материалы. Тошкент – 2019.- №3,  –C.86-88.