КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 3, с. 342-348
УДК 544.77.022.822
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОГО СаС03 НА ВЯЗКОСТЬ СУСПЕНЗИЙ МОНТМОРИЛЛОНИТА, СОДЕРЖАЩИХ ШС1
© 2007 г. И. Г. Ковзун, И. М. Коваленко, И. Т. Проценко
Институт биоколлоидной химии им. Ф.Д. Овчаренко Национальной академии наук Украины Украина, 03142 Киев, бульвар академика Вернадского, 42 Поступила в редакцию 26.04.2006 г.
Изучено пластическое течение концентрированных полидисперсных суспензий монтмориллонита, содержащих хлорид натрия, дисперсный карбонат кальция и подвергающихся действию С02 атмосферы. Показано, что незначительные примеси (0.05-0.5 мас. %) карбоната кальция, а также добавки хлорида натрия могут приводить к существенным изменениям структурной организации суспензий. Аномальное поведение суспензий наблюдается при концентрации №С1 2-3 г/дм3. Обсуждаются механизмы структурной трансформации концентрированных глинистых суспензий. Показано, что в зависимости от характера взаимодействия силикатной дисперсной системы с окружающей средой и наличия №С1 преобразование СаСО3 может протекать по механизмам изотермической перегонки или химической переконденсации.
ВВЕДЕНИЕ
Процессы структурной трансформации дисперсных систем на основе горных пород, глинистых минералов и техногенных суспензий в присутствии небольших добавок ультрадисперсных компонентов привлекают внимание исследователей с точки зрения устойчивости техногенных сооружений и наклонно расположенных грунтов, склонных к образованию селевых потоков [1-17]. Так, в [2, 5] были рассмотрены коллоидно-химические и геохимические процессы структурной организации в экосистеме атмосфера-водоем-основание водоема, сложенного из глинисто-карбонатных осадочных пород, и показано следующее. Во-первых, процессы природного и техногенного карста карбонатов могут служить одной из причин пластического течения придонной части вертикальных грунтовых сооружений и наклонно расположенных дисперсных горных пород. Во-вторых, химическая переконденсация карбонатов играет важную роль в таких процессах [6]. В-третьих, при незначительных внешних механических воздействиях вязкость пластифицированных глинисто-карбонатных структур может скачкообразно понижаться в несколько раз. Несмотря на значительные теоретические достижения в области физико-химической динамики [18, 19], причины отмеченных эффектов, особенно на уровне преобразования ультрадисперсных частиц, остаются неясными.
Поведение различных глинистых минералов, в том числе монтмориллонита, не было подробно изучено. Роль как пресной, так и минерализованной воды, в частности, ее основной хлоридно-на-триевой составляющей, в устойчивости глини-
стых структур в присутствии карбонатов и С02 атмосферы также остается недостаточно исследованной [3, 4, 6]. Цель настоящей работы - изучить пластическое течение полидисперсных суспензий монтмориллонита в воде и водных растворах хлорида натрия, содержащих ультрадисперсные и дисперсные примеси карбонатов и оксидов железа, что представляется исключительно важным для оценки устойчивости грунтов и грунтовых сооружений, а также предупреждения возможных природных и техногенных катастроф [17].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве основного объекта исследования были выбраны образцы монтмориллонита Черкасского [20] и Пыжевского месторождений. Исходные образцы смешивали с водой в отношении 1 : 10. Для исключения влияния набухания полученные суспензии выдерживали в течение 30 сут, а затем разбавляли водой. Монтмориллонит отделяли от грубодисперсной фракции декантацией, а от воды - центрифугированием. Выделенные образцы хранили во влажном состоянии. Использовали также два вида высушенных образцов монтмориллонита. Первый был высушен при 100°С и хранился в воздушно-сухом состоянии при комнатной температуре в течение 25 лет, а второй был высушен на воздухе при комнатной температуре и хранился в течение семи месяцев. Кривые дТа и рентгенодифрактограммы образцов представлены на рис. 1.
В исследованиях применяли рентгенофазовый (Дрон-20, СоАГа-излучение), дериватографиче-ский (0Б-102) и электронно-микроскопический
(УЭМВ 100 Л и Tesla BS 340) методы. Вязко-пластичные свойства суспензий изучали на ротационном вискозиметре "Реотест-2". Измерительная ячейка состояла из двух коаксиальных цилиндров системы S/S2 с отношением их радиусов 1.06 и зазором между ними 1.12 мм. В отдельных опытах использовали ячейки S/Sj и S/S3. Предварительные исследования показали, что погрешность измерений находится в пределах ±3%, что соответствует паспортным данным прибора. Измерения проводили при температуре 22.0 ± 0.5°С в интервале изменения скорости сдвига £ от 1 до 437.4 с-1 (в отдельных опытах от 0.166 до 1312 с-1) и от 437.4 до 1 с-1. Концентрацию монтмориллонита в суспензиях подбирали путем их отстаивания в течение 3 суток, а затем уточняли (в сторону ее увеличения на 3-5%). С целью уменьшения погрешности измерений выбирали такую концентрацию суспензий, при которой вязкость изменялась в пределах 30-80% шкалы измерительного устройства.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлены зависимости эффективной вязкости п от напряжения сдвига Р для водных суспензий, приготовленных образцов Черкасского монтмориллонита, высушенных при 100°С (кривая 1) и при комнатной температуре (кривая 1'). Зависимости п(Р), полученные как при повышении, так и понижении градиента скорости сдвига, указывают на аномалию вязкости и хорошо согласуются с аналогичными зависимостями, приведенными в [21]. В то же время, условия предварительной подготовки образцов могут существенным образом сказываться на вязкости суспензий и, следовательно, на прочности межчастичных (межагрегатных) связей. Так, при минимальной скорости сдвига (£ = 1 с-1, ячейка S/S2) и прочих равных условиях эффективная вязкость, соответствующая равновесной степени разрушения структуры дисперсии из высушенного при комнатной температуре образца монтмориллонита (рис. 2, кривая 1'), оказывается в 2.5-3 раза выше таковой для дисперсии из высушенного при 100°С образца (рис. 2, кривая 1). Для ячеек S/Sx
(£min = 1.5 с-1) и S/S3 (£min = 0.1667 с-1) сохраняется такая же закономерность. Также в 2.5-3 раза различаются прочности образцов свежеприготовленного монтмориллонита и образцов, увлажненных после сушки при 100°С [22]. В то же время, течение суспензий, приготовленных из образцов монтмориллонита, высушенных в различных условиях, описывается практически одинаковыми кривыми (в пределах ошибки измерений).
Отсюда следует, что высушивание образцов монтмориллонита при комнатной температуре с последующей их длительной выдержкой оказы-
Т °C
1.56
36 28 20 12 4
28, град
Рис. 1. Кривые ДТА (а) и рентгенодифрактограммы (б) Пыжевского (1) и Черкасского (2) монтмориллонитов.
вается равноценным высушиванию минерала при 100°С. Кривые пластического течения суспензий, приготовленных из образцов Пыжевского монтмориллонита, не отличаются в пределах погрешности измерений от соответствующих кривых для образцов Черкасского монтмориллонита (рис. 2). Поэтому в данном сообщении они не приводятся.
Исходя из изложенного, можно сделать вывод о том, что при сушке и длительном хранении монтмориллонита, содержащего цементирующие примеси высокодисперсных карбонатов и оксидов железа [23], образуются прочные коагуляционно-конденсационные контакты (межчастичные связи) в агрегатах. Поэтому следует допустить, что количество высокодисперсных частиц в высушенном и длительно хранившемся монтмориллоните (25 лет) уменьшается по сравнению с минералом, хранившемся 7 месяцев. А это существенно отражается на кривых изменения их вязкости (рис. 2, кривые 1 и 1'). Однако такой вывод целесообразно
П, Пас 16
12 8 4
0
12 8
0
16 12 8 4
20 16
12
10
3'
20
30
10
20 30
40
50 60 р, Па
Рис. 2. Зависимости эффективной вязкости п от напряжения сдвига Р для 25%-ных (1-4) и 20%-ных (1-4') суспензий образцов Черкасского монтмориллонита, высушенных, соответственно, при 100°С и комнатной температуре. Концентрация №С1 в воде: 1, 1' - 0, 2, 2' - 2, 3, 3' - 10 и 4, 4' - 100 г/дм3. Стрелками показано направление измерений.
подтвердить в дальнейших исследованиях с использованием других методов анализа.
Высказанные соображения не могут объяснить обнаруженное аномальное поведение вязкости (рис. 2). Появление аномалии, по-видимому, связано с перестройкой агрегатов [21, 24-27]. В суспензии, состоящей из полидисперсных частиц, сохраняются условия для их освобождения из агрегатов [13-15]. Основной причиной неустойчивости исследуемых суспензий монтмориллонита, по-видимому, является механическое перемешивание, способствующее усилению стохастического колебательного процесса структурной реорганизации агрегатов частиц в присутствии карбоната кальция и, возможно, оксидов железа [4, 6, 13, 21]. В результате устойчивыми оказываются агрегаты частиц с размерами до 5-10 мкм в условиях интенсивного перемешивания [21, 24-26], а по данным [13] - до 20 мкм при относительно невысоких скоростях сдвига (перемешивания). Монт-мориллонитовые глины, в основном, содержат полидисперсные частицы (в том числе с размерами от 5 до 30 нм), которые объединены в более крупные агрегаты [18, 23]. Поэтому при увеличении интенсивности механического перемешивания в реологическом эксперименте агрегаты размером 5-20 мкм распадаются на более мелкие, в том числе и на первичные частицы (5-30 нм). Увеличение количества таких частиц приводит к росту количества и прочности коагуляционных связей, что проявляется в аномальном росте вязкости дисперсий. Подобные механизмы рассматривались в работах [18, 19, 27].
Минерализация дисперсионной среды резко изменяет характер зависимости вязкости от напряжения сдвига (рис. 2). При концентрации №С1 2 г/дм3 (кривые 2 и 2') исчезают дилатансия (кривая 1') и тиксотропия (кривая 1). В то же время сохраняется переходный характер от вязко-пластичного к аномально-вязкому течению для суспензии, приготовленной из высушенного при комнатной температуре образца. Различный ход кривых 2 и 2' объясняется тем, что переход кальциевой формы природного монтмориллонита в натриевую в "стесненных" услов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.