научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОГО CACO3 НА ВЯЗКОСТЬ СУСПЕНЗИЙ МОНТМОРИЛЛОНИТА, СОДЕРЖАЩИХ NACL Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОГО CACO3 НА ВЯЗКОСТЬ СУСПЕНЗИЙ МОНТМОРИЛЛОНИТА, СОДЕРЖАЩИХ NACL»

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.

Показать целиком