CC BY
154
Химия твердого тела
УДК 548.3
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛИН НИЖНЕУВЕЛЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
A.А. Щербаков, Н.Ф. Солодкий, В.В. Викторов,
B.М. Жестков, А.С. Сериков, М.С. Клепиков
Физико-химическими методами (РСА, ДТА, масс-спектрометрия, атомно-эмиссионным) исследован химический состав глины Нижнеувель-ского месторождения. Установлено, что глина Нижнеувельского месторождения относится к полукислому глинистому сырью. Установлена эмпирическая формула для Нижнеувельской глины.
Ключевые слова: Нижнеувельская глина, физико-химические свойства глин.
Введение
Глинистые породы, благодаря наличию технически ценных свойств доступности, имеют широкое применение в различных отраслях промышленности [1]. Они используются в производстве изделий строительной, грубой и тонкой керамики, огнеупорных материалов, цемента, в литейном производстве, бумажной, резиновой промышленности и т. д. [2].
Большинство керамических заводов России используют качественные, но дорогостоящие импортные глины. Актуальным вопросом является замена импортных глин на глины месторождений России [3].
На Урале выявлен целый ряд крупнейших месторождений, освоенных промышленностью (Троицко-Байновское, Белкинское, Курьинское, Нижнеувельское, Южноуральское (Берлинское)) и ряд других. Всего на Урале известно более 200 месторождений огнеупорных и тугоплавких глин. Однако изученность большинства из них еще далеко не достаточно.
Глины Нижнеувельского месторождения отличаются разнообразием по содержанию минеральных примесей.
Целью данной работы являлось: изучение химического, фракционного состава глины Ниж-неувельского месторождения.
Экспериментальная часть
Образцы глины взяты из забоя действующего карьера и с отгрузочного склада. Пробы глин были распределены на фракции с помощью набора сит [4]. Для каждой фракции и валовой пробы был проведен химический анализ.
Химический состав глин контролировали спектральными методами на приборе ARL-3410, рентгенофлуоресцентным анализом на СРМ-25 Прокаленные смеси исследовали рентгенографически на дифрактометре ДРОН-ЗМ с Ка-излучением кобальта. Спектры дифференциальнотермического и масс-спектрометрического анализов получали на приборе Netzch Jupiter. Анализ проводили со скоростью нагрева 20 °С в минуту, в кислородно-аргоновой смеси от комнатной температуры до 1100 °С.
Обсуждение результатов
Химический состав проб нижнеувельской глины приведен в табл. 1.
По содержанию А12О3 нижнеувельская глина относится к полукислому глинистому сырью. По количеству Fe2O3 и TiO2 - к сырью со средним содержанием красящих оксидов.
Химический состав отдельных фракций глины в сравнении с валовой пробой приведен в табл. 2.
По данным табл. 2 видно, что фракция выше 0,06 мм представляет собой чистый кремнезем с незначительным количеством примесей механического характера. Отмытые от кварца фракции глины менее 0,06 мм имеют более высокое содержание глинозема.
Таблица 1
Химический состав глин Нижнеувельского месторождения
№ п/п Место Содержание оксидов, %
отбора проб БЮ2 АІ2О3 ТІО2 РЄ2О3 СаО MgO К2О Ка2О п.п.п.
1 Карьер валовая 57,74 27,18 1,36 2,96 0,24 0,48 0,36 0,26 9,42
2 Карьер 58,42 27,34 1,28 1,40 0,28 0,40 0,68 0,36 8,32
3 Карьер 54,35 27,60 1,50 3,34 0,30 1,70 0,71 0,18 10,16
4 Карьер 60,30 25,17 1,38 1,78 <0,10 1,27 0,84 0,18 8,92
5 Карьер 52,82 28,55 1,36 3,39 0,59 1,48 0,54 0,19 11,02
6 Карьер 57,75 24,26 1,58 4,17 0,59 1,48 0,46 0,23 9,36
7 Склад 63,09 24,05 1,30 2,16 0,28 0,36 0,54 0,20 8,02
8 Склад 64,52 19,84 1,20 2,38 0,30 1,21 0,62 0,13 9,50
Таблица 2
Химический состав валовой пробы № 3 и её отдельных фракций
Проба Содержание на прокаленное вещество, %
п.п.п. 8ІО2 АІ2О3 ТІО2 Бе2О3 СаО MgO К2О
Валовая проба 10,16 54,35 27,60 1,50 3,34 0,30 1,70 0,71
НУ-2, фракция > 0,06 мм 0,48 96,92 — 1,54 1,02 0,56 — Неопр.
НУ-2, фракция < 0,06 мм 9,19 58,56 29,42 - 1,39 0,69 0,72 Неопр.
НУ-2, фракция > 1 мкм 9,82 56,43 28,40 1,62 2,81 0,53 0,75 0,69
Термограмма нижнеувельской глины подтверждает её каолинитовый состав. Эндо- и экзотермические эффекты у глины несколько размыты, протекают в более широком температурном интервале. Это обусловлено воздействием модифицированных превращений кварца на поведение каолинита при нагревании (см. рисунок).
Термограмма нижнеувельской глины пробы 3
На термограмме в области температур 20-600 °С наблюдаются 2 экзоэффекта, обусловленные удалением абсорбционной влаги - 150-170 °С и 2 эффект-разложение гидрослюд, что хорошо согласуется с литературными данными [6]. Потеря массы в данном температурном интервале составляет величину ~ 10-12 %. Дальнейшее нагревание пробы не ведет к изменению массы. Проведенный одновременно с термогравиметрическим, масс-спектрометрический анализ показал, что при температурах 180 °С и 580 °С наблюдается максимум выделения воды (т/е=18).
Химия твердого тела
Экзотермический эффект при 900-1000 °С сопровождается начинающимся превращением кварца в тридимит.
Структурные формулы нижнеувельской глины, рассчитанные по данным химического состава фракций ниже 1 мкм, имеют вид:
структурная формула
К0,04'Са0,06 (М§0,12'Ре3 0Д6-Т10,09-А1зД5)-[814,27-010](0Н)8,14;
эмпирическая формула
А120з-2,688102-2,55Н20(0,01К20 0,04Са0 0,08Ме00,10Ре20з0,06Т102).
Глинистая составляющая (фракция менее 1 мкм), судя по рассчитанным структурной и эмпирической формулам, а также проведенным рентгенографическим и термографическим исследованиям, соответствует каолиниту.
В нижнеувельской глине присутствует галлуазит и свободный кремнезем. В соответствии с этим, эмпирическая формула нижнеувельской глины имеет вид А120з-2,688102-2,55Н20, а отношение А120з:8102 составляет 0,64. Кроме кремнезема в глинистой составляющей нижнеувельской глины присутствует в равномерно распределенном виде гидрослюды железа, придающие глине розоватый оттенок. Примеси снижают огневые свойства глины.
Поведение глин в системе «глина-вода» [5]и при спекании в основном определяется размерами частиц глинистого вещества, которые составляют основу керамической массы.
Дисперсность влияет также на пластичность, связующую способность и усадку глин при сушке и обжиге.
Гранулометрический состав нижнеувельских глин позволяет отнести их к тонко- и среднедисперсным. Содержание фракций менее 1 мкм изменяется в значительных пределах (табл. 3).
Таблица 3
Гранулометрический состав глин
№ пробы Содержание фракций, % (диспергатор - пирофосфат натрия)
> 0,05 мм 0,05-0,01 мм 0,01-0,005 мм 0,005-0,001 мм < 0,001 мм
1 2,52 1,66 1,37 13,36 80,00
2 - 4,18 1,18 8,46 86,18
3 19,87 16,64 6,91 11,26 45,32
4 5,60 2,52 1,30 11,12 79,46
5 20,01 67,88 4,55 9,66 53,67
6 6,65 5,06 6,45 23,92 47,92
7 5,36 9,54 10,02 21,86 53,22
8 1,21 4,95 6,22 21,57 66,05
Наиболее мелкодисперсным является ситовой остаток нижнеувельской глины, основное количество зерен кварца в котором имеет размер 0,2-0,088 мм.
Выводы
Физико-химическими методами (РСА, ДТА, масс-спектрометрия, атомно-эмиссионным) был исследован химический состав глины Нижнеувельского месторождения. Установлено, что глина Нижнеувельского месторождения относится к полукислому глинистому сырью. По содержанию А12Оз нижнеувельская глина относится к полукислому глинистому сырью. По количеству Бе203 и Т102 к сырью со средним содержанием красящих оксидов. Установлена империческая формула для нижнеувельской глины.
Литература
1. Солодкий, Н.Ф. Минерально-сырьевая база Урала для керамической, огнеупорной и стекольной промышленности: справ. пособие / Н.Ф. Солодкий, А.С. Шамриков, В.М. Погребенков; под ред. проф. Г.Н. Масленниковой. - Томск: Аграф-Пресс, 2009. - 332 с.
2. Авидон, В.П. Предварительные испытания глин в полевых условиях / В.П. Авидон. - М.: Госгеолтехиздат. - 1963. - 127 с.
3. Кащеев, И. Д. Физико-химические свойства керамической массы с использованием нижнеувельской глины / И. Д. Кащеев, О.В. Турлова // Стекло и керамика. - 2010. - № 6. - С. 10-12.
Физико-химические исследования глин Нижнеувельского месторождения
4. Августиник, А.И. Методы исследования и контроля в производстве фарфора и фаянса / А.И. Августиник, И.Я. Юрчак. - М.: Изд-во «Легкая индустрия». - 1971. - 432 с.
5. Галабутская, Е.А. Система глина-вода: учеб. пособие / Е.А. Галабутская. - Львов: Глав-полиграфиздат. - 1962. - 212 с.
6. Гегузин, Я.Е. Физика спекания / Я.Е. Гегузин. - М.: Наука. - 1967. - 360 с.
Поступила в редакцию 20 марта 2011 г.
PHYSICAL-CHEMICAL COMPOSITION OF THE NIGNEUVELYSKAYA’S CLAY
Physical-Chemical composition of the Nigneuvelyskaya’s clay was characterized by physical-chemistry methods (XRD, DTA, MS atomic emission methods). It was investigated that the Nigneuvelyskaya’s clay could be classified as semiacid argillous raw material. It was found the empiric formula of the Nigneuvelyskaya’s clay.
Keywords: Nigneuvelyskaya’s clay physical-chemical properties of clays.
Sherbakov Anatolii Anatolievich - Postgraduate Student, Chemistry Department Chelyabinsk State Pedagogical University. Lenin av., 69, Chelyabinsk, Russia, 454080.
Щербаков Анатолий Анатольевич - аспирант кафедры химии, Челябинский государственный педагогический университет. 454080, Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 69.
E-mail: sherbakov_tolik@mail.ru
Solodkii Nikolai Fedorovich - PhD (Technical), scientific consultant, OOO «Ceramic Desk». Sports av., 13, Yuzhnouralsk, Russia, 457040.
Солодкий Николай Федорович - кандидат технических наук, научный консультант, ООО «Керамическое бюро» 457040, Южноуральск, Спортивная, 13.
E-mail: keramicbyuro@yandex.ru
Zhestkov Viktor Michailovich - PhD (Technical), Associate Professor, South Ural State University. Lenin av., 76, Chelyabinsk, Russia, 454080.
Жестков Виктор Михайлович - кандидат технических наук, доцент, Южно-Уральский государственный университет. 454080, Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.
Viktorov Valery Viktorovich - Dr.Sc. (Chemistry), Professor, Chelyabinsk State Pedagogical University. Lenin av., 69, Chelyabinsk, Russia, 454080.
Викторов Валерий Викторович - доктор химических наук, профессор, Челябинский государственный педагогический университет. 454080, Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 69.
E-mail: viktorovvv.cspu@mail.ru
Serikov Alexander Sergeevich - Post-Graduate Student, Chemistry Department Chelyabinsk State Pedagogical University. Lenin av., 69, Chelyabinsk, Russia, 454080.
Сериков Александр Сергеевич - аспирант кафедры химии, Челябинский государственный педагогический университет. 454080, Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 69.
E-mail: 7243201@mail.ru
Klepikov Maxim Sergeevich - Postgraduate Student, Chemistry Department Chelyabinsk State Pedagogical University. Lenin av., 69, Chelyabinsk, Russia, 454080.
Клепиков Максим Сергеевич - аспирант кафедры химии, Челябинский государственный педагогический университет. 454080, Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 69.
E-mail: francuz_kms@mail.ru
