научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАТИВНЫХ И АКТИВИРОВАННЫХ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАТИВНЫХ И АКТИВИРОВАННЫХ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2010, том 46, № 2, с. 199-207

НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

УДК 544.72

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАТИВНЫХ И АКТИВИРОВАННЫХ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ

© 2010 г. О. А. Михайлова, Т. З. Лыгина

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых"

420097, г. Казань, ул. Зинина, 4 e-mail.iygina@geolnerud.com Поступила в редакцию

Исследованы составы, структура, текстурные характеристики и прочностные свойства природных минеральных видов: алюмосиликатных, кремнистых, углеродсодержащих пород и смешанных цеолитсодер-жащих кремнистых образований. Показано, что цеолитовая и шунгитсодержащая породы обладают узкопористой структурой, опоки и смешанное цеолитсодержащее кремнистое образование — в основном среднепористые сорбенты. Проанализирован характер изменения составов, структуры и свойств при химической активации сорбентов. Установлено, что кислотная активация практически всех сорбентов сопровождается повышением диоксида кремния, текстурных характеристик и снижением истинной плотности. При щелочной и кислотной активации опок происходит уменьшение удельной поверхности, но в то же время повышается суммарный объем и диаметр пор. Проведенные исследования показали возможность использования активированных сорбентов для очистки питьевой воды от ионов железа.

ВВЕДЕНИЕ

Природные минеральные сорбенты благодаря адсорбционным и ионообменным свойствам могут использоваться в различных отраслях промышленности. С позиций охраны окружающей среды природные минеральные сорбенты рассматриваются не только как доступные и дешевые материалы, способные эффективно связывать и нейтрализовывать различные загрязнители, но и как экологически чистое, не загрязняемое окружающую среду сырье.

Известно, что природные минеральные сорбенты отличаются многообразием составов, текстурных и структурных характеристик и, соответственно различным спектром физико-химических и адсорбционных свойств. Важным свойством рассматриваемых пород является возможность улучшения их качества путем применения различных методов активации и модифицирования. В настоящее время для успешного внедрения природных минеральных сорбентов в промышленность назрела острая необходимость всестороннего изучения различных характеристик сорбентов, а также поиск новых путей синтеза с целью повышения качества, требуемого в конкретном процессе.

В данной работе проведено исследование и сопоставление свойств нативных природных минеральных сорбентов, различающихся по химическим и минеральным составам, структурным характеристикам слагающих их минералов, проявлению адсорбционных свойств, а также отражен характер изменений этих показателей в процессе химической активации. Проведенные аналитические исследова-

ния доведены до практического использования активированных сорбентов в процессах очистки питьевой воды. Результаты исследований могут быть применены при изучении других подобных минеральных объектов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Под природными минеральными сорбентами понимают горные породы и минералы, обладающие высокими адсорбционными и (или) ионообменными свойствами [1]. Наиболее известными природными минеральными сорбентами являются цеоли-товые породы. Адсорбционные и другие свойства цеолитов были изучены еще в сороковых годах прошлого столетия на синтетических аналогах природных цеолитов [2]. Исследования природных цеолитов в нашей стране проводились И.А. Белицким в шестидесятых годах и интенсивно продолжаются в настоящее время как российскими, так и зарубежными учеными [3—8].

В качестве альтернативного цеолитам природного сырья следует рассматривать породы, сложенные преимущественно опалом (опоки) [9].

Рядом ученых проведены обширные минералогические, структурные, химические исследования природных сорбентов, результаты которых обобщены в обзорных статьях, сборниках [10—13].

Благодаря природному происхождению поверхность минералов насыщена различными примесями, присутствие которых оказывает значительное влияние на адсорбционную способность сорбентов

и придает специфичность свойств минералам каждого месторождения. С целью улучшения качества и повышения адсорбционных и текстурных показателей природных минеральных сорбентов проводят их активацию. Эффективные способы активации природных сорбентов применительно к различным направлениям использования в народном хозяйстве приведены в работах [14—15].

Для цеолитсодержащих кремнистых образований ввиду их недавнего открытия число научных работ, которые бы рассматривали вопросы направленного изменения их составов и свойств ограничено [16].

К сорбентам предъявляются требования по физико-химическим и физическим показателям. Главными требованиями, предъявляемыми к сорбентам, являются высокие значения сорбционной емкости, удельной поверхности и пористости.

Для использования цеолитовых пород в качестве сорбентов необходимо максимальное содержание цеолита в породе и соответственно минимальное количество инертных примесей, развитая вторичная пористость.

У опок и смешанных цеолитсодержащих кремнистых образований главным критерием для использования в качестве сорбентов является минимальное содержание посторонних примесей, обломочных материалов и карбонатов. Наиболее предпочтительными по этому требованию являются кремнистые породы с высоким содержанием диоксида кремния, исключая обломочный кварц и структурный кремнезем примесных минералов.

При использовании шунгитсодержащих пород в качестве сорбентов требуется максимальное содержание в них неорганического углерода. Вредными компонентами шунгитсодержащих пород являются карбонаты, металлы в повышенных содержаниях (железо, цинк, свинец). Предпочтительны для использования в качестве сорбентов шунгитсодержа-щие породы, со структурой, представляющей тонкодисперсное распределение алюмосиликатных компонентов в матрице углеродного материала.

МЕТОДИКА

Объектами исследований выбраны наиболее перспективные природные минеральные виды: цеолиты, кремнистые (опоки), цеолитсодержащие кремнистые образования. Из группы недостаточно изученных, мало активных природных минеральных сорбентов для получения объективно сравнительной характеристики привлеклась к исследованиям на-тивная шунгитсодержащая порода. При выполнении работы были изучены цеолиты тринадцати месторождений, цеолитсодержащие кремнистые обра-зования—четырех и опоки двадцати месторождений России и стран Ближнего зарубежья. На основе большого экспериментального материала были отобраны эталонные образцы для исследований: цеолит месторождения Сокирница (Ц), опоки Кила-

чевского (О1) и Сенгилеевского месторождений (О2) и цеолитсодержащее кремнистое образование НовоИвановского месторождения (ЦКО), шунгитсодер-жащая порода Зажогинского месторождения (Ш).

Замеры содержания химических элементов и ка-тионный обмен природных минеральных сорбентов выполнены на спектрометре Optima 2000 DV с ин-дукционно связанной плазмой при температуре 10000 К.

Для проведения фазового (минерального) состава природных минеральных сорбентов применен рентгенографический (качественный и количественный) фазовый анализ [17]. Он выполнен методом порошка на дифрактометре D8 ADVANCE фирмы Bruker и дифрактометре ДР0Н4-07 фирмы ЛОМО.

Анализы проведены с использованием монохро-матизированного Си^-излучения в режиме шагового сканирования (шаг 0.05° 20, время экспозиции в точке 1 и 3 сек). Препараты для объекта готовили путем запрессовки порошка исследуемого материала в стандартную дисковую кювету из кварцевого стекла; во время съемки препарат вращался, в собственной плоскости со скоростью 1 оборот/сек.

Инфракрасные спектры снимали на ИК-Фурье спектрометре Tensor 27. Режим съемки: ХРМ, разрешение 4 см-1, скорость сканирования 10 КГц.

Исследование текстурных характеристик образцов выполнено адсорбционным методом на объемной вакуумной статической установке ASAP-2002 М Micromeritics, оснащенной тремя высокочувствительными датчиками давления для получения изотерм высокого разрешения адсорбции-десорбции азота при 77.4 К. Диапазон равновесных относительных давлений составлял от 10—7 до 0.996 Р/Ро.

Перед проведением адсорбционных измерений образцы помещали в дегазационный порт прибора и тренировали в вакууме при 523 К — 9 часов. Затем, непосредственно перед измерением образцы дополнительно тренировали в измерительном порту прибора 573 К 3 часа. В ходе эксперимента через каждые 2 часа измеряли значения Ро и соответственно корректировали расчеты Р/Ро при 77.4 К.

Ртутную порометриию проводили на порометре Porozimeter-2000. Перед измерением образцы прокаливали при температуре 200°С.

Плотность исследуемых образцов определяли на гелиевом пикнометре AccuPyc 1340 Micromeritics. Перед измерением предварительно просушенные при 200°С в течение 2 часов образцы помещали в измерительную камеру прибора и продувались гелием 20 раз.

Активацию сорбентов проводили растворами соляной кислоты и щелочи в режиме кипения при 95—105°С в течение двух часов, за исключением кислотной активации цеолитсодержащего кремнистого образования (время активации в данном случае составило двадцать минут). Соотношение раствор : сорбент выбрано 2 : 1. Для цеолитовой породы

Таблица 1. Химический состав природных минеральных сорбентов

Содержание в % на абсолютно сухую навеску

Сорбент SO3 общ.

SiO2 1Ю2 A12O3 Fe2O3 FeO MnO CaO MgO Na2O K2O P2O5

ппп

SiO2 кварц

SiO2 амор-фн.

SiO2/ AI2O3

нативные

О1 82.91 0.34 5.97 2.46 0.26 0.003 0.70 1.20 0.29 1.33 0.01 <0.05 4.54 4.16 61.18 23.57

O2 85.27 0.25 4.53 3.09 0.30 0.01 0.65 0.79 <0.3 1.36 0.07 <0.05 3.38 10.02 61.40 31.94

ЦКО 66.15 0.30 5.77 1.69 0.27 0.01 10.79 1.41 <0.3 1.36 0.06 <0.05 11.80 4.89 38.48 19.46

Ц 70.41 0.13 12.64 1.07 0.43 0.02 2.16 0.73 1.32 3.04 0.01 <0.05 7.82 7.37 10.27 9.45

Ш 39.74 0.63 9.28 6.04 3.86 0.06 1.76 2.81 2.78 1.16 0.09 4.16 34.29 28.5 *29.05 7.27

активированные

О1 + №ОЫ 78.52 0.34 7.18 2.94 0.28 0.01 1.52 1.29 1.21 1.26 0.01 <0.05 5.22 4.39 53.04 18.56

О1 +

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