Ионообменные свойства запесоченных глин Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Содержание

3

4. Басовский Д.А. Совершенствование технологии контроля состояний стрелочных переводов типа Р65 марки 1/11 на деревянных брусьях: Дис. ... канд. техн. наук, СПб.: ПГУПС, 2002. - 286 с.

Искусственные сооружения

УДК 666.646

ИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА ЗАПЕСОЧЕННЫХ ГЛИН

Абу-Хасан Махмуд

Аннотация

Глинистые минералы, входящие в состав глин, суглинков, обладают ионообменной способностью, чем в значительной мере определяются многие их физико-химические свойства. В статье рассмотрено влияние иона натрия на увеличение дисперсности, пластичности, усадки, водоудерживающей способности запесоченных глин. Показано, что активация способности запесоченных глин к сорбционному взаимодействию достигается при обработке их растворами сильных электролитов, что дает возможность утилизировать кислые стоки гальванических производств и получать лицевую поверхность керамических изделий.

Ключевые слова: обменные катионы, электролиты, ^-потенциал,

сорбционное взаимодействие, гидролитическая устойчивость.

Введение

Как известно, пластичность шликера зависит от присутствия определенных ионов в системе глина-вода.

Обменную способность глинистых частиц рассматривают как сорбцию (поглощение), протекающую на их суммарной поверхности.

По данным Е.Н. Гапона и других исследователей, ионы водорода обладают сильной внедряющей способностью благодаря малому радиусу и меньшей гидратации ионов. Известно, что изменение природы обменных катионов приводит к изменениям пластичности, набухаемости, дисперсности, усадки, механической прочности высушенных и обожженных керамических изделий. Различные электролиты оказывают различное влияние на их свойства [1].

Среди обменных катионов самое большое влияние на увеличение дисперсности, пластичности, усадки, водоудерживающей способности глин оказывает натрий. Ионы натрия способствуют образованию наиболее плотной и прочной структуры в процесс их высыхания.

Прочность глин (при высыхании) зависит от величины площади контакта частиц, по которой происходит их сцепление. Наиболее плотные

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

структуры глин, насыщенных одновалентными катионами и полученных при оптимальном увлажнении, всегда оказываются более прочными, чем рыхлые структуры суглинков, насыщенных многовалентными катионами.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

Если ион диффузного слоя сильно гидратирован (в случае натриевой глины) и образуется диффузный слой, а ион коагулятора мало гидратирован, то обмен ионов способствует уменьшению ^-потенциала, в этом случае наступает коагуляция. Но если ион диффузного слоя мало гидратирован и образует сжатый диффузный слой, а ион коагулятора

сильно гидратирован, то обмен ионов приводит к увеличению потенциала, затрудняя коагуляцию.

Большое влияние оказывает обменный натрий на самопроизвольное диспергирование и пептизацию глинистых частиц.

Кроме катионов диффузного слоя, на величину электрокинетического потенциала влияют электролиты, содержащиеся в глинистой суспензии: чем выше концентрация электролитов, тем больше снижается потенциал коллоидных частиц. Если глина имеет обменные катионы натрия, то высокая концентрация NaCl в растворе по закону действия масс подавляет диссоциацию двойного слоя и потенциал снижается.

Из литературых источников [1] известно также, что активация способности суглинков и глин к сорбционному взаимодействию достигается при продолжительном выдерживании их в растворах сильных электролитов. Так, если суглинки выдерживают в 0,1н-2н растворах хлорида натрия или кальция, карбоната натрия от 50 мин до 10 суток, то в раствор переходят ионы А1 и Mg . На этом основании выдерживание суглинков в растворах с ионами Cu2+ и Ni2+ приводит к медленно протекающей сорбции этих ионов с окрашиванием суглинков. При рассмотрении сорбции конкретных ионов силикатными материалами важную роль поглощающего комплекса играет каркас (матрица). Такие матрицы способны сорбировать ионы по схеме В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана [2]. Учение об изоморфных рядах Вернадского основано на широком участии сорбции при формировании минералов. Энергетика этих процессов связана с энергетикой ионов и рассмотрена в трудах Ферсмана.

1 Влияние электролита на гидролитическую устойчивость запесоченных глин

1.1 Влияние природы и концентрации кислоты на растворимость запесоченных глин

Для работы использовали запесоченные глины с размером зерна 10,006 мм, навеска по 0,500 г. Глину заливали 50 мл растворов соответствующих кислот.

Было установлено, что наибольшая десорбция ионов алюминия и магния наблюдается в растворе 0,1н серной кислоты и достигает значения 0,034 мЭкв/л. Гидролитическая устойчивость запесоченных глин в среде 0,1н раствора НС1 и HN03 практически одинакова и характеризуется значением 0,019-0,020 мЭкв/л (табл. 1), при этом влияние концентрации кислоты на содержание ионов алюминия и [SiO3] - возрастает.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

Значительное возрастание концентрации ионов алюминия

_-5

наблюдается в растворах H2SO4 с концентрацией 1,1 н—5•l0 н и составляет 0,0039-0,02 мЭкв/л (табл. 2).

ТАБЛИЦА 1. Влияние природы кислоты на растворимость суглинков

(время контакта 5 суток)

Кислота Нормальность Содержание ионов алюминия, мЭкв/л Содержание ионов магния, мЭкв/л

СНзСООН 0,1 0,014 0,008

HCI 0,1 0,019 0,009

HN03 0,1 0,020 0,007

H2S04 0,1 0,039 0,019

Н20 0,1 0,009 0,001

ТАБЛИЦА 2. Влияние концентрации серной кислоты на устойчивость

запесоченных глин

Концентрация кислоты, н Содержание ионов алюминия. мЭкв/л Содержание ионов магния, мЭкв/л

1,10-1 0,039 0,028

5,10-2 0,037 0,022

1.10-2, 0,029 0,019

5,10-3 0,021 0,014

1,10-3 0,018 0,011

1 О i/"T 0,014 0,009

1,10-4 0,009 0,006

1.2 Влияние времени контакта серной кислоты и температуры на устойчивость запесоченных глин

Кинетические закономерности выхода ионов алюминия и магния в раствор изучали при действии 0,1н раствора серной кислоты на запесоченные глины. Исследование, проводившееся в интервале времени от 1 до 30 суток (табл. 3), показало, что наиболее интенсивное растворение происходило в первые 10 дней контакта с реагирующим веществом. Содержание ионов алюминия и магния в растворе возрастает постепенно и достигает 0,051 и 0,029 мЭкв/л (30 суток) соответственно.

Запесоченные глины являются достаточно химически стойкими, для их активации требуется довольно длительный контакт с активатором (в нашем случае 30 суток), концентрация кислоты 0,1н.

Опыты проводили при температуре 65, 102, 140, 155°С, навески по 5,000 г глины заливали 0,1н раствором H2SO4 при нужной температуре в течение 2 часов.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание________________________________________________________________3

ТАБЛИЦА 3. Влияние температуры на гидролитическую устойчивость

запесоченных глин

Время контакта, сут Содержание ионов алюминия, мЭкв/л Содержание ионов магния, мЭкв/л

1 0,028 0,012

3 0,033 0,014

10 0,043 0,016

14 0,047 0,019

20 0,049 0,021

30 0,051 0,029

Результаты, приведенные в таблице 4, показывают резкое увеличение десорбции ионов кальция с увеличением температуры. Если при температуре 65°С концентрация ионов кальция составляет 0,016 мЭкв/л, то при 155°С - 0,026 мЭкв/л.

ТАБЛИЦА 4. Влияние температуры на гидролитическую устойчивость

запесоченных глин

Температура контактного раствора, °С Содержание ионов кальция, мЭкв/л

65 0,016

100 0,020

140 0,021

155 0,026

170 0,030

201 0,048

20 (комнатная температура) 0,011

Исследование влияния температуры на выход катионов Са2+ в раствор показало, что выход ионов возрастает. При повышении температуры от 65 до 201°С выход ионов возрастает в 3 раза.

Кинетически активно должна протекать реакция взаимодействия Са(ОН)2 и кремнезема. Однако в запесоченных глинах имеется много свободного кремнезема и мало свободного гидроксида кальция, поэтому процесс гидратации кремнезема под воздействием гидроксида кальция может протекать медленно и малоактивно. Из данного рассмотрения вытекает, что запесоченные глины гидратируются весма медленно и не являются гидравлически активным веществом.

На основании изложенного можно утверждать о возможности замены бесцветных ионов Са2+ на хромофоры Cu2+, Ni2+, Сг3+, а также о выходе ионов Са2+ в раствор при обработке запесоченных глин сильными кислотами.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

3

Содержание__________________________________________

2 Активация поверхности запесоченных глин кислыми гальваническими стоками

На основании проведенных экспериментальных работ по затворению запесоченной глины кислотами разной природы можно сделать вывод о возможности использования кислых стоков гальванических производств для активации и окрашивания поверхности запесоченных глин.

Г альванические отходы относятся к токсичным соединениям, поэтому требования к их очистке, обработке и утилизации весьма высоки. Так как химический состав их весьма разнообразен и зависит от технологического процесса производства, то для нанесения покрытия на лицевую поверхность кирпича рационально использовать отработанные электролиты соляной кислоты от ванн травления стали и снятия хромового покрытия, а также отработанный электролит от ванн электрополировки меди, содержащий ортофосфорную кислоту.

Кислые отходы от гальванического производства представляют собой

-5

кислые водные растворы зеленого цвета, с плотностью 1,10-1,12 г/см , с концентрацией ионов водорода рН = 0,1...0,2. Отходы были взяты из ванн обезжиривания и снятия хромового покрытия с меди и стали и подвергнуты анализу на содержание ионов тяжелых металлов. Анализ показал присутствие в растворе в основном ионов железа, хрома и меди.

Катионы-хромофоры, находящиеся в кислых стоках (в основном Сг , Fe3+, Cu2+), обмениваются на катионы Ca2+ и Mg2+, что резко активирует поверхность глиняной матрицы и усиливает процесс спекания глинистых частиц, за счет этого удаляются высолы, а лицевая поверхность приобретает более темный цвет. Кислые стоки наносились на поверхность сухих образцов, сутки выстаивались, затем обжигались при температуре 960°С.

3 Заключение

Обмен катионов является обратимым, поглощение катионов тем сильнее, чем выше валентность иона, обмен катионов одной и той же валентности тем интенсивнее, чем больше их атомная масса, поглощение катионов увеличивается с ростом их концентрации в растворе. Процесс обмена усиливается с ростом рН раствора, величина и скорость обмена зависят от концентрации солей в растворе, времени взаимодействия и температуры окружающей среды.

Показано, что пропитка керамического сырца кислыми стоками от гальванических работ позволяет не только утилизировать техногенное сырье, но и получить керамический черепок с улучшенной лицевой поверхностью, более темного цвета, без высолов.

Библиографический список

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

1. Книги на Г.И. Улучшение технологических свойств суглинков (для производства строительного кирпича). - Новосибирск: Зап.-Сиб. книжное изд-во, 1966. - 105 с.

2. Ферсман А.Е. Геохимия. - Л.: ОНТИ, ХИТЕОРТ, 1937. - 503 с.

УДК 624.042.7

РАЗДЕЛЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БЕГУЩУЮ ВОЛНУ И СЛУЧАЙНЫЙ НЕКОРРЕЛИРОВАННЫЙ ПРОЦЕСС В ЗАДАЧАХ РАСЧЕТА МНОГООПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Л.Н. Гиман

Аннотация

Рассматривается расчет многоопорного сооружения по линейно-спектральной методике (ЛСМ). Предложено представление сейсмического воздействия в виде суммы бегущей волны и случайного процесса.

Ключевые слова: многоопорные сооружения, несинхронность воздействия, бегущая волна, случайный некоррелированный процесс.

Введение

В настоящее время расчету сейсмостойкости многопролетных сооружений уделяется значительное внимание. Это связано с тем, что Нормы сейсмостойкого строительства рассматривают сооружения, моделируемые консольным стержнем, а сейсмическое воздействие задается расчетным уровнем и спектральной кривой исходя из сейсмогеологических условий в месте опирания. В практике строительства распространены многоопорные сооружения (МС) - мосты, трубопроводы и т. п., у которых сейсмогеологические условия под опорами различны и сейсмическое воздействие может отличаться не только спектральным составом, но и уровнем. Это приводит к несинхронности колебаний опор, которая не учитывается в СНиПах. Ранее с использованием традиционного представления воздействия в виде бегущей замороженной волны или некоррелированных возмущений под опорами был предложен вариант ЛСМ, учитывающей несинхронное возмущение опор [1]. Настоящая статья посвящена обобщению методики расчета МС с более полным учетом характеристик реальных землетрясений.

1 Основные положения расчета МС

Несинхронность колебаний опор МС двояко сказывается на их поведении: с одной стороны, снижается инерционная сейсмическая нагрузка на ее элементы, с другой - в конструкции возникают дополнительные усилия от взаимного смещения опор.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2