ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МИНЕРАЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕРМИКУЛИТА ТЕБИНБУЛАКСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены результаты исследования физико-химических свойств и минералогической характеристики вермикулита Тебинбулакского месторождения. Проведены анализы химического состава, определены основные физико-механические параметры материала. Методами инфракрасной спектроскопии, а также оптической и сканирующей электронной микроскопии изучены кристаллическая структура, морфология частиц и степень их упорядоченности. Установлены особенности структуры, термической устойчивости и сорбционных свойств вермикулита. Исследование позволило выявить потенциал использования данного минерального сырья в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, в частности — в качестве эффективного мелиоранта и сорбента, также было исследовано морфология и микроструктуры поверхности вермикулита. Полученные данные обосновывают значимость месторождения как перспективной сырьевой базы для дальнейшего промышленного освоения.

ABSTRACT

This paper presents the results of a study of the physicochemical properties and mineralogical characteristics of vermiculite of the Tebinbulak field. Analyses of chemical composition were carried out, the main physical and mechanical parameters of the material were determined. Methods of infrared spectroscopy, as well as optical and scanning electron microscopy studied the crystal structure, morphology of particles and the degree of their ordering. Features of the structure, thermal stability and sorption properties of vermiculite have been established. The study revealed the potential for the use of this mineral raw material in various industries and agriculture, in particular, as an effective meliorant and sorbent, and the morphology and microstructure of the vermiculite surface were also studied. The obtained data justify the importance of the field as a promising raw material base for further industrial development.

Ключевые слова: Каракалпакстан, Тебинбулак, агроруда, вермикулит, вспучивание, сельское хозяйство, физико-химический анализ монофракция.

Keywords: Karakalpakstan, Tebinbulak, agricultural ore, vermiculite, heaving, agriculture, physical and chemical analysis of monofraction.

Введение. В настоящее время на территории Узбекистана известен лишь один промышленный источник вермикулита - Тебинбулакское месторождение, расположенное в северо-западной части страны [1]. Полезный компонент приурочен к коре выветривания перидотит-пироксенит-габбрового массива Тебинбулак, сохранившейся на периферии его выхода на дневную поверхность. В пределах месторождения выделены три основные зоны - Западная (Основная), Восточная и Центральная, где были проведены поисково-разведочные работы, позволившие выявить запасы промышленных категорий [2]. В настоящее время на Западной зоне ведётся добыча вермикулита, что ознаменовало начало освоения первого в Узбекистане месторождения данного типа и открыло перспективы его использования в различных отраслях промышленности, в том числе в строительстве, сельском хозяйстве и металлургии [3].

Вермикулит представляет собой гидратированный алюмосиликат магния, образующийся в результате гидротермального или метасоматического изменения слюдных минералов, таких как биотит и хлорит (триоктаэдрический вермикулит) либо мусковит (диоктаэдрический вермикулит) [4-5]. В его структуре возможны изоморфные замещения: Si⁴⁺ → Al³⁺; Mg²⁺ → Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Ni²⁺; 3Mg²⁺ → 2Al³⁺, что определяет изменчивость химического состава и физико-химических свойств минерала [6].

Химический состав вермикулита варьирует в широких пределах: SiO₂ – 34–45%, Al₂O₃ – 10–19%, Fe₂O₃ – 3–17%, CaO – 0,2–5,5%, MgO – 3–14%, K₂O – 2–8%, содержание воды достигает 15–20%. При нагревании происходит вспучивание вследствие интенсивного выделения связанной воды, в результате чего объём минерала увеличивается в 15–20 раз [7]. Этот процесс сопровождается расслоением структуры на тонкие слюдяные пластинки, частично соединённые между собой [8-11]. Вспученный вермикулит обладает малой плотностью, высокой теплоизоляционной способностью, химической стойкостью и сорбционными свойствами, что делает его ценным техногенным и сельскохозяйственным материалом [12].

Твердость вермикулита составляет 1,0–1,5 по шкале Мооса, что указывает на его мягкость и лёгкую перерабатываемость. Изучение физико-химических и минералогических характеристик вермикулита Тебинбулакского месторождения представляет важное значение для определения направлений его рационального использования и разработки технологий обогащения и переработки данного минерального сырья.

Целью исследования являлось выявление структурных особенностей и эксплуатационных свойств природного вермикулита для оценки возможностей его использования в сельском хозяйстве Республики, а также оценки его возможной роли в улучшении плодородия почв и повышении результативности сельскохозяйственного производства.

Объекты и методы исследований. В качестве объекта исследования выбран вермикулит, добываемый из Тебинбулакского месторождения, расположенного на северо-западной окраине гор Султанувайс.

Месторождение характеризуется значительными промышленными запасами (около 1,33 млн тонн) и высоким качеством минерала. Основными потребителями продукции из вспученного вермикулита являются предприятия строительной индустрии, тепловые центры, стекольные и цементные заводы, а также сельскохозяйственные и лакокрасочные производства [13].

Материал и методика исследований Материалом для исследования послужили образцы вермикулита, отобранные на различных участках Тебинбулакского месторождения. Изучение морфологических особенностей и микроструктуры поверхности проводилось с использованием сканирующего электронного микроскопа SEM-EVO MA 10 (фирма Carl Zeiss, Германия), обеспечивающего высокое разрешение и контрастность микроснимков.

Определение элементного состава осуществлялось методом оптической эмиссионной спектроскопии на приборе OPTIMA 2100DV (Perkin Elmer, США). Для подготовки образцов к анализу применялся метод микроволнового разложения с использованием установки Berghof SPEEDWAVE MWS-3+ DAP-60+. Масса навески образцов составляла 0,05–0,5 г, что обеспечивало точность анализа и воспроизводимость результатов.

Результаты исследований. Снимки поверхности образцов вермикулита при разном увеличении (рис. 1), сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа Zeiss EVO®MA10, показывают форму и строение поверхности вермикулита месторождения Тебинбулак. С помощью микроскопа и энергетического дисперсионного анализатора (Inca, Oxford Instruments, UK) (ЭДР-анализ) одновременно определены элементные составы этих проб. Результаты ЭДР- анализа показали они имеют следующие элементы: О – 43,39%, С – 13,99%, Si – 12,62%, Mg – 6,62%, Ca – 6,06%, Al – 5,77%, Fe -4,52%, K – 5,06%, Р – 1,97%;

Рисунок 1. Электронные микроснимки и ЭДР-анализ вермикулита

Химический состав монофракций вермикулита показывает большое сходство. Им свойственно высокое содержание калия, которое резко преобладает над алюминием и над железом. Алюминий и железо присутствует почти в оксидной форме. Таким образом, в данном месторождении преобладает алюмино-железистая форма вермикулита. Результаты элементного анализа приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Результаты оптико-эмиссионной спектрометрии вермикулита

ИК - спектры полученных образцов показывают относительные высокие значения коэффициентов при вспучивании вермикулита. ИК-спектры поглощения записывали в области 400-4000 см-1 на спектрометре Thermo Fisher Scientific Nicolet iS50 FT-IR Spectrometer. Из собственных исследований и литературных данных известно, что ИК-спектры всех естественных образцов вермикулитов подобны, однако отличаются интенсивностями соответствующих полос поглощения. Более подробную информацию о механизме адсорбции можно получить из данных ИК-спектроскопии, приведенных на рис. 2.

Рисунок 2. ИК-спектры вермикулита Тебинбулакского месторождения

В ходе исследования исходного вермикулита ИК-спектре обнаружены полосы поглощения при 949,45 Si-O, 653,29, 729,89 Ca MgCO₃ , MeO-Si (Fe, Al, Mg), 421,20, 425,13 Si-O-Mg²⁺, 417,56 Si-O-CaOH, 413,61, 406,27 Me-O см^-1, соответствующие слоистому силикату, содержащему гидроксильные группы и значительное количество менее прочно связанной со структурой воды.

Выводы. В результате комплексного исследования установлено, что вермикулит Тебинбулакского месторождения по химическому составу относится к алюминиево-железистой разновидности минералов с преобладанием оксидов калия, магния, алюминия и железа.

Морфологический анализ с использованием сканирующего электронного микроскопа SEM-EVO MA 10 (Carl Zeiss) показал, что структура вермикулита характеризуется типичным слоисто-пластинчатым строением с выраженной микропористостью, обеспечивающей высокие сорбционные свойства.

Результаты оптико-эмиссионной спектрометрии подтвердили наличие основных элементов: O, Si, Al, Mg, Fe, K, Ca, C и P, что согласуется с типичными характеристиками природных вермикулитов.

По данным ИК-спектроскопии (Thermo Fisher Scientific Nicolet iS50) установлено наличие полос поглощения, соответствующих колебаниям связей Si–O, Me–O (Fe, Al, Mg) и OH-групп, что указывает на наличие структурной и адсорбционно связанной воды.

Наблюдаемое вспучивание при термическом воздействии связано с дегидратацией межслоевой воды, что приводит к увеличению объёма минерала в 15–20 раз и образованию лёгкого, пористого материала.

Полученные результаты подтверждают, что вермикулит Тебинбулакского месторождения является перспективным сырьём для применения в строительстве, сельском хозяйстве и экологических технологиях в качестве теплоизоляционного, сорбционного и мелиоративного материала.

Список литературы:

1. Исломов Ш.А., Худайбердиев А.Б. Геологическое строение и минерально-сырьевой потенциал Тебинбулакского массива. – Нукус: Каракалпакский государственный университет 2018. – 112 с.
2. Жураев Б.Б. Геолого-поисковые работы на Тебинбулакском месторождении вермикулита // Геология и полезные ископаемые Узбекистана. – 2020. – №3. – С. 45–52.
3. Каримов А.Ш., Сапаров И.Р., Рахимова Д.К. Потенциал использования вермикулита в строительных и агротехнических целях // Материалы Республиканской научно-практической конференции. – Ташкент: ТГТУ, 2021. – С. 78–83.
4. Brown G. The X-ray Identification and Crystal Structures of Clay Minerals. – London: Mineralogical Society, 1980. – 544 p.
5. Grim R.E. Clay Mineralogy. – New York: McGraw-Hill, 1968. – 596 p.
6. Литвинов В.Г. Минералогия и свойства вермикулитов: учебное пособие. – Москва: МГУ, 2015. – 168 с.
7. Murray H.H. Applied Clay Mineralogy: Occurrences, Processing and Application of Kaolins, Bentonites, Palygorskite-Sepiolite, and Common Clays. – Amsterdam: Elsevier, 2007. – 188 p.
8. MATCH!® Phase identification from Powder Diffraction (Crystal Impact, GbR, Bonn, Germany, 2015).
9. Döbelin, N., Kleeberg, R., „Profex: a graphical user interface for the Rietveld refinement program BGMN„, Journal of Applied Crystallography 48 (2015), 1573-1580.
10. NETSCH Proteus Thermal Analysis® .Drits, V. A., Zviagina, B. B., McCarty, D. K., Salyn, A. L., American Mineralogist, 2010. - N95. - 348р.
11. Allaniyazov D.O., Turmanova O.K, Bauatdinov T.S, Dilmanova N.A, Saparniyazov B.A. Study of salinity of soils in some areas of Karakalpakstan. Austrian Journal of Technical and Natural Sciences Vienna 2022. - №7-8. -рр.3-7. https://doi.org/10.29013/AJT-22-7.8-3-7.
12. Саидов У.М. Применение вспученного вермикулита в сельском хозяйстве и экологии // Экология и рациональное природопользование. – 2019. – №2. – С. 33–39.
13. Электронный ресурс https://uzsm.uz/ru/activities/science/16308/