Исследование физико-химических и прикладных свойств новых полимерных композиционных материалов на основе слоистых силикатов и полиэлектролитов (стр. 5 из 7)

Рис. 1. Градуировочный график определения метиленового синего

На основании табличных данных определяли lg х/m. Изотерму адсорбции построили, исходя из подчинения уравнению Фрейндлиха в логарифмической форме:

ГЛАВА III. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Исследование качественного минерального состава бентонита Центрального месторождения «Герпегеж»

В результате комплексного исследования качественного минерального состава бентонита методами рентгенографии, термогравиметрии и микроскопии (рисунки 1‑3) определено, что основным минералом бентонита Центрального месторождения «Герпегеж» является монтмориллонит. На рентгенограмме монтмориллонит диагностируется наличием серии типичных рефлексов (рисунок 1). Установлено присутствие кварца, каолинита, гидрослюды.

Рис. 1 –Рентгенограмма природного бентонита

Рентгенодифракционные исследования образцов глины проводили в интервале углов 2q от 2,0° до 40,0°.

Дифрактограмма природной глины содержит характерный пик в области 2q =7,53° (d =1.1 нм), соответствующий Брегговскому периоду расположения гетерогенных областей и отвечающий за расстояние между базальными поверхностями монтмориллонита (рис.1).

На дифференциально-термических кривых бентонита (рис. 2) обнаруживается ряд термических эффектов. При температурах 100‑110 °С наблюдается интенсивный эндотермический эффект, обусловленный выделением адсорбционной и межслоевой молекулярной воды. Наличие дополнительного эффекта при температурах с максимумом 500‑505 °С вызвано удалением структурной воды.

Рис. 2 – Дифференциально-термические кривые природного и модифицированного бентонитов: 1 – природного, 2 – обогащенного, 3 – модифицированного серной кислотой, 4 – модифицированного карбонатом натрия

При изучении морфологии природного бентонита с помощью микроскопии в образцах отмечены образования монтмориллонита, зерна кварца округлой формы, слюдистые фрагменты, остатки кремнистых скелетов микроорганизмов – единичные спикулы губок, частицы опала в виде панцирей диатомей плохой сохранности.

На электронных микрофотографиях бентонита (рис. 3) частицы монтмориллонита имеют вид крупных и мелких чешуек в форме листовых агрегатов. Встречаются агрегаты с хлопьевидными очертаниями, складчатые образования. Видны частицы, отличающиеся по размерам и форме, объединенные в ультрамикроагрегаты и агрегаты со слабо- и высокоориентированным в микроблоки расположением. По типу, связанному с составом и условиями образования, по классификации Е.М. Сергеева, микроструктура исследованных образцов отнесена к ячеистой, характеризующейся образованием крупных микроагрегатов, контактирующих между собой по типу базис-базис, базис‑скол. Отмечаются поры: межчастичные, образованные неплотностями прилегания первичных частиц; межмикроагрегатные, большей частью щелевидные, различных размеров.

Рис.3 – Электронные микрофотографии спектры частиц природного бентонита

Химический состав бентонита представлен ионами натрия, кальция, калия и магния (таблица 2). Ввиду преобладания катионов кальция и магния, ионообменный комплекс бентонита относится к щелочноземельному типу.

3.2 Обогащение и модификация природного бентонита

Удаление крупнозернистых включений при обогащении, преимущественно кварца, приводит к перераспределению доли компонентов в составе бентонита. Отмечается увеличение содержания монтмориллонита. За счет удаления кварца, количество оксида кремния снижается до 72,30 %, содержание оксидов алюминия, калия, натрия, кальция и магния увеличивается.

Кислотная обработка приводит к частичному разрушению глинистых минералов, что иллюстрируется уменьшением содержания полуторных оксидов в химическом составе образцов. Количество оксида кремния увеличивается до 75,20 %, свободного оксида кремния – до 19,20 %.

Рентгеновским методом установлено, что образовавшийся в результате разрушения кристаллической структуры монтмориллонита кремнезем является аморфным. В ходе замещения обменных ионов металлов на ионы водорода кислоты и ионы алюминия, которые переходят из структурных позиций в обменные, поверхность бентонита приобретает кислые свойства.

Таблица 2

Состав природного и модифицированного бентонитов

Катионы	Содержание катионов, ммоль/100 г сухого вещества
	Бентонит
	природный	обогащенный	модифицированный
			Сернойкислотой	Карбонатомнатрия
Na+	8,4	8,6	1,3	38,1
K+	1,4	1,5	0,6	2,0
Ca2+	13,3	16,6	15,0	5,1
Mg2+	12,8	13,1	6,0	3,0
Суммарно	35,9	39,8	22,9	48,2

Модифицирование карбонатом натрия оказывает влияние на химический состав бентонита. За счёт снижения содержания оксида кремния, в процессе растворения свободного кремнезема в щелочной среде, количество оксидов алюминия, железа, щелочных и щелочноземельных металлов в образцах увеличивается. В результате замещения щелочноземельных металлов в ионообменном комплексе на ионы натрия, содержание последних возрастает в 4,4 раза, что приводит к увеличению ионообменной емкости глины от 75 мг-экв / 100 г глины до 120 мг-экв / 100 г глины.

Для оценки катионообменной емкости бентонита использовали метод поглощения красителей основной природы (таблица 3). Определено, что образцы бентонита, за исключением модифицированного кислотой, проявляют высокую адсорбционную способность по отношению к органическому красителю метиленовому голубому (МГ), в том числе при повышенной адсорбционной нагрузке.

Таблица 3

Адсорбционные свойства природного и модифицированного бентонитов по отношению к органическому красителю

Показатели	Величина показателя
	Бентонит
	природный	обогащенный	модифицированный
			Сернойкислотой	Карбонатомнатрия
Степень адсорбции, мг/г	72,6	65,0	38,7	87,1
Степень поглощения, %, приадсорбционной нагрузке, мг/г: 37,5 75,0150,0	97,992,655,4	98,996,468,2	13,512,7 9,7	98,393,556,6

Модифицирование кислотой приводит к разрушению кристаллической структуры глинистых минералов вследствие вымывания ионов алюминия, железа и магния, способствуя развитию поверхности. Удельная поверхность бентонита возрастает с 24 до 76 м²/г за счет формирования более мелкопористой структуры – средний радиус пор уменьшается с 59 до 33 нм.

Таблица 4

Параметры пористой структуры природного и модифицированного бентонитов

Параметр	Величина параметра
	Бентонит
	природный	обогащенный	модифицированный
			Сернойкислотой	Карбонатомнатрия
Суммарный объем пор, см3/г	0,47	0,51	0,76	0,54
Удельная поверхность, м2/г	24	24	76	48
Средний радиус пор, нм	59	64	33	51
Пористость, %	52	54	61	55

Термическая активация – предварительная сушка при температуре 100 °С, а затем 200 °С, улучшает адсорбционные свойства и способствуют развитию поверхности бентонитов, что связано с освобождением от воды адсорбционного пространства. При прокаливании при температурах до 600 °С удаляется структурносвязанная вода и, в связи со снижением степени гидратации поверхности материалов, происходит снижение адсорбционной способности. При прокаливании при температуре 800 °С удельная поверхность уменьшается, что может обуславливаться химическим взаимодействием слагающих породы оксидов, сопровождающимся формированием кристаллических структур иных типов и является причиной изменения адсорбционных свойств бентонитов, модифицированных серной кислотой и карбонатом натрия (таблицы 6, 7).

Таблица 6

Адсорбционные свойства природного и модифицированного бентонитов в зависимости от температуры прокаливания

Бентонит	Степень адсорбции красителя, мг/г,при температуре прокаливания, °С
	200	400	600	800
природный	49,8	29,0	9,1	3,0
обогащенный	75,0	25,0	8,8	3,0
модифицированный серной кислотой	10,0	8,1	5,5	24,6
модифицированный карбонатом натрия	87,1	25,0	5,0	48,4

Таблица 7

Удельная поверхность природного и модифицированного бентонитов в зависимости от температуры прокаливания

Бентонит	Удельная поверхность, м2/г,при температуре прокаливания, °С
	200	400	600	800
природный	24	20	12	7
обогащенный	24	21	18	6
модифицированный серной кислотой	76	42	40	30
модифицированный карбонатом натрия	48	39	32	14

3.3 Разработка органоглин на основе бентонита месторождения «Герпегеж»