Гранулометрический состав глин киевской свиты Белгородской области

Е.В. Кормош (Баранникова)1*, А.И. Везенцев1*, Е.А. Дороганов2)

Белгородский государственный университет 2)Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Определение гранулометрического состава дисперсных систем посредством их седиментации - один из самых практичных и широко применяемых методов дисперсионного анализа. Минеральные суспензии являются полидисперсными и состоят из различных по размеру частиц, радиусы которых имеют любое значение в определенном интервале. Для характеристики полидисперсных систем были применены интегральные и дифференциальные функции распределения. Описывающие эти функции интегральные и дифференциальные кривые дали полную картину о массовом и фракционном составе суспензий. Знание гранулометрического и фракционного составов изучаемых глин позволит выделить частицы заданного размера. Ключевые слова: глинистые минералы, седиментационный анализ, гранулометрический состав, интегральные и дифференциальные функции распределения, удельная поверхность.

Введение

В связи с проблемой очистки воды и других жидких сред остро стоят вопросы поиска, изучения практического применения эффективных природных сорбентов. Актуальное направление - разработка дешевых сорбентов, эффективно связывающих водорастворимые вещества, опасные для здоровья человека. Широко распространенными, экологически безвредными являются адсорбенты на углеродной основе, глины и цеолиты. Сочетая сорбционные свойства этих адсорбентов и различные способы обработки их поверхности, можно удалять различные загрязняющие вещества [1].

Изучение глинистых минералов начинается с их выделения из природных или искусственных минеральных систем. Получение частиц с определенным радиусом определяется объектами исследования и постановкой задачи. Размер частиц можно увеличивать или уменьшать до тех пор, пока концентрация механических примесей тонкодисперсного кварца и полевых шпатов остается допустимой. Выяснение гранулометрического состава дисперсных систем посредством их седиментации - один из самых практичных и широко применяемых методов дисперсионного анализа [2]. При очистке жидкостей от загрязняющих их частиц важно ускорить процесс выпадения осадка. Этого добиваются различными способами в зависимости от рода частиц и окружающей среды. Основу седиментометрии составляет взаимосвязь между скоростью движения частиц в жидкости и их размерами [3].

Теоретический анализ

Ранее в проведенных нами исследованиях было показано, что сорбционно-активные минералы (монтмориллонит, клиноптилолит) присутствуют практически во всех пробах глинистого материала, однако их максимальное содержание - в фракциях с размером частиц менее 0,001 мм, поэтому актуально изучение гранулометрического состава глин для определения массового содержания в системе частиц разного размера.

Цель данной работы - изучение гранулометрического состава глин Белгородской области месторождения Поляна ГИШ-2-(02)-1 и ГИШ-2-(02)-2. Химический и минералогический состав глин приведен в работе [4]. Показательная характеристика дисперсности глин - удельная поверхность сухой глины, выраженная в м2/г. По содержанию крупнозернистых включений размером более 0,5 мм (ГОСТ 9169-92) различают следующие группы глинистого сырья (в %): с низким содержанием включений - не более 1, со средним - от 1 до 5 и с высоким - более 5. Мелкими считают включения менее 2 мм, средними - от 2 до 5 мм и крупными - более 5 мм.

Методы исследования

В практике физико-химических исследований широко распространен седиментационный анализ как метод определения дисперсности. Он заключается в том, что в сильно разбавленной суспензии глины обусловливают скорость осаждения частиц под действием силы тяжести. Известны различные методы седиментационного анализа: метод непрерывного взвешивания осадка (весовой метод), пипеточный, фотоэлектрический и др.

Поскольку осаждение частиц происходит в спокойной жидкости, исследуемая суспензия должна быть устойчивой и не коагулировать в процессе осаждения. В дисперсионной системе не допускается наличие пузырьков воздуха, перемещение которых влияло бы на осаждение частиц. Использовали следующую методику проведения седиментационного анализа.

Экспериментальная часть

В химический стакан наливали 1 литр воды и на торзионных весах взвешивали опущенную в воду чашечку. Из порошка исследуемого вещества готовили 0,5%-ную суспензию. Для этого навеску порошка вносили в стакан с водой; при необходимости порошок предварительно слегка растирали с небольшим количеством воды в фарфоровой ступке. Перед началом взвешивания осадка суспензию перемешивали поступательным движением по вертикали палочкой с надетым на ее конец резиновым диском. После этого чашечку опускали в стакан со свежеперемешанной суспензией и через 15 с проводили первое взвешивание. Взвешивания проводили сначала через каждые 15 с, затем, поскольку осаждение с течением времени замедляется, постепенно увеличивали интервалы между взвешиваниями до 30 с, 1 мин, 2 мин и, наконец, 5 мин. Для каждого интервала времени делали четыре замера. Анализ считали законченным, когда два последних взвешивания с интервалом между ними не менее 5 мин совпадают. Обработку экспериментальных данных проводили с использованием специальной программы, составленной в среде Microsoft Excell®.

Обсуждение результатов

На рис.1 представлены интегральные кривые распределения для глин ГИШ-2-(02)-1 и ГИШ-2-(02)-2, которым соответствует интегральная функция распределения Ф(г), показывающая содержание (в масс. %) в суспензии частиц данного и большего радиуса.

Используя рис. 1, по интегральной кривой можно быстро находить в изучаемой дисперсной системе массовое содержание любой фракции частиц глин. Если необходимо, например, определить массовое содержание в системе частиц с радиусом от ra до гв, то на интегральной кривой находят точки с абсциссами ra и гв и вычисляют разность ординат этих точек, которая и выражает массовое содержание фракции. Точка перегиба интегральной кривой, обычно имеющей S-образную форму, отвечает наиболее вероятному размеру частиц, содержащихся в дисперсной системе.

Более наглядное представление о фракционном составе суспензий дает дифференциальная функция распределения F(r)=-d0(r)/dr. Соответствующая этой функции кривая характеризует плотность распределения вероятности по массе частиц различных радиусов. На рис. 2 представлены дифференциальные кривые распределения для глин ГИШ-2(02)-1 и ГИШ-2(02)-

Рис. 2. Дифференциальные кривые распределения: а) ГИШ-2-(02)-1, б) ГИШ-2-(02)-2

При анализе рис. 2 выявлено, что данные глиняные суспензии относятся к монодисперсным, поскольку, чем уже интервал радиусов на дифференциальной кривой распределения и чем выше ее максимум, тем ближе суспензия к монодисперсной; наоборот, чем кривая более растянута и чем ниже ее максимум, тем суспензия более полидисперсная.

Еще одно из важнейших свойств дифференциальной кривой распределения в том, что можно определить массовое содержание в суспензии частиц с радиусами от r1 до r2, т. е. вероятность нахождения в суспензии частиц с этими радиусами, равное площади, ограниченной кривой, осью абсцисс и двумя ординатами, проведенными в точках r1 и r2.

Используя дифференциальную кривую распределения, можно непосредственно определить наиболее вероятный радиус частиц, соответствующий максимуму этой функции, а также вычислить средний поверхностный диаметр и удельную поверхность суспензии (табл.).

Поверхностные характеристики глины

Образец	г, мкм	ёср. пов., мкм	Sra, м2/г (по ср. поверх. диаметру )	Sra, м2/г (пор)
ГИШ-2(02)-1	1,25	2,108	1,095	0,780
ГИШ-2(02)-2	1,23	2,601	0,887	0,514

Проанализировав интегральные и дифференциальные кривые распределения, можно построить графики седиментации, в которых будет отражаться содержание частиц (масс.%) в зависимости от размера фракции глиняной суспензии.

На рис. 3 представлены графики седиментации изученных нами образцов. Анализируя их, установили, что содержание частиц более 63 мкм составляет 1,3-4,1 %, поэтому глины по содержанию крупноразмерных включений относятся к группе сырья с низким их содержанием.

Выводы

На основе классификации глин по содержанию тонкодисперсных фракций (ГОСТ 916992) исследованные образцы можно отнести к дисперсной группе глинистого сырья, поскольку содержание частиц размером менее 10 мкм составляет 48,5-74,3 %.

Список литературы

Модификация природных сорбентов унитилом с целью улучшения адсорбционных свойств / Е.Н. Панова, Е.Х. Абланова, О.Е. Волкова, С.П. Биназарова // Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2004 . - C.136-140.

Ходаков Г.С., Юдикин Ю.П. Седиментационный анализ высокодисперсных систем. - М.: Химия, 1981. - 192 с.

Малай Н.В. Ускорение процесса седиментации за счет нагрева поверхности гидрозольных частиц // Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2004. - C. 96-98.

Везенцев А.И., Трубицын М.А., Романщак А.А. Сорбционно-активные породы Белгородской области // Горный журнал. - 2004. - № 1. - С. 51-52.