CC BY
32
ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ МИГРАЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
M.Â. Некрасова
Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия
Электродные процессы (изменение кислотно-щелочного баланса) и электроповерхностные явления (электроосмос, деформация и поляризация ДЭС), возникающие под действием постоянного электрического тока, служат предпосылками к изменению микроструктуры глинистых грунтов. Степень различия микроструктуры в приэлектродных зонах грунтов зависит от начальных условий эксперимента, минерального состава, дисперсности, плотности-влажности образца и химического состава порового раствора.
Изучение элекгроповерхностных явлений началось почти 200 лет назад, однако качественное и полуколичественное изучение этих явлений в реальных объектах геологической среды (почвы, дисперсные горные породы) началось лишь в 20-30-е годы нашего столетия. Краткая схема эволюции знаний об элекгрокинетических процессах, явлениях и способах их использования для решения эколого-геологических проблем приведена на рис. 1.
Практическое использование элекгрокинетических явлений началось с разработки методов осушения грунтов и закрепления их в основаниях сооружений (Жинкин Г.И., 1966, Коржуев А.С. и др.1959; Зиангиров P.C., 1979; и др.).
В 60-х годах метод впервые был использован для решения экологических проблем. В СССР и за рубежом проводились полупромышленные испытания по рассолению солончаков (Вадюнина А.Ф. и др., 1966; 1968).
Широкое применение метод получил в нефтедобывающей промышленности для укрепления стенок скважин и отжатия пластовых вод для доизвлече-ния нефти (Коржуев А.С. и др.1959).
На современном этапе развития знаний об элекгроповерхностных явлениях их широко используют в эколого-геологических целях, например при осушении торфяников, очистке грунтов и многолетнемерзлых пород от неорганических и органических загрязнений, в системах многоступенчатой очистки от загрязнений поверхностных и сточных вод. Проводились исследования по электрохимическому удалению радиоактивных изотопов из грунтов (Нерпин С.В., Чудновский А.Ф., 1967).
При прохождении электрического тока в глинистых грунтах вследствие элекгрокинетических и электрохимических процессов происходит изменение структуры фунта. По данным A.C. Коржуева и Н.И. Титкова (1959) отмечено, что электрический ток стимулирует правильную ориентацию глинистых частиц и создает направленность процессов кристаллизации. Г.Н. Жинкин (1966) объясняет изменение структуры процессами коагуляционного структу-рообразования. Происходит коагуляция положительно заряженных золей гидратов окисей аллюминия и железа и отрицательно заряженных золей кремнекислоты с последующей кристаллизацией коллоидных коагуляционно-
структурированных систем. Кристаллизация химических соединений также приводит к изменению структуры грунта.
Шкала времени, годы
1808 1879-1914
Впервые Ф.Ф.Рейс открыл и доказал движение воды, находящейся между полюсами Вольтова столба от одного полюса к другому.
: 1930
Гемгольц (1879) впервые аналитически описал явление электроосмоса. В 1914 году теория была переработана и дополнена Смолуховским.
1936 1970 «1980 1989 1991
Л.Казагранде использовал алектроосмос для закрепления грунтов, первый патент (Casagrande, 1948).
Использование электровосстановления грунтов в связи с удалением карбоната натрия из щелочных почв для улучшения свойств грунтов (Рип & Анапе], 1936).
В России предложено электровосстановление грунтов с радиоактивным загрязнением. Использование электроосмоса для осушения осадков сточных вод (Creyson & Rogers, 1970).
Электровосстановление в приложении к решению эколого-геологических проблем. Предложена концепция использования электрокинетики для контроля над опасными отходами (SegaU et all., 1980). Использование электроосмоса для осушения шахтных хвостов (Lockhart, 1983).
Получен первый Европейский патент по электровосстановлению грунтов (Pool, 1989).
В США получен первый патент по технике электроосмотического удаления веществ из грунтов (Probstein et all., 1991).
Рис.1. Схема эволюции знаний об электрокинетических процессах, явлениях и способах их использования
Изучение структурно-текстурных особенностей глин при воздействии на них переменного тока изучалось в связи с исследованиями их набухаемости. По результатам электронно-микроскопического анализа, в образцах глин имеется тенденция к агрегированию - уменьшение количества пор и увеличение их размеров. По результатам микроагрегатного анализа отмечено увеличение содержания частиц песчаной и глинистой фракций. Коагуляция глинистых частиц, вероятно, обусловлена с соударением частиц при колебательных движениях и электрохимическом воздействии.
Исследование изменения микроагрегатного состава грунта после электрообработки моренного суглинка проводились Г.Н. Жинкиным (1980). Содержание высокодисперсных частиц уменьшается, особенно в анодной зоне, в грунте образуются агрегаты. Эффект усиливается при введении электролита и увеличении продолжительности закрепления. Сохраняющееся во времени (12 лет) агрегатное состояние грунта свидетельствует о необратимости процесса.
Таким образом, под действием постоянного электрического тока в результате разрушения твердой компоненты грунтов и введения различных исску-ственных осадков происходят процессы струкгурообразования грунтов, приводящие к улучшению их физико-химических свойств.
Объекты исследований. В экспериментах использовались природные и модельные образцы дисперсных грунтов. Структурно-текстурные особенности исследуемых глинистых грунтов характеризовались их дисперсностью и микростроением, которые определялись по данным гранулометрического, микроагрегатного и микроструктурного анализов. Электрохимическому воздействию подвергались пылеватая глина преимущественно каолинитового состава (каолин тирлянский, Кл, ст. Джабык, Башкирия), тяжелая глина Са-монтморил-лонитового состава (асканглина, Рэ, с. Асканья, Грузия) и средний суглинок полиминералъного состава (рК^пь окр. г. Звенигорода). В исследуемой каолинитовой глине преобладает пылеватая фракция 46%, частиц меньше 0,001 мм 52 % и низкое процентное содержание частиц песчаной фракции 2 %, которое незначительно увеличивается при агрегировании до 3 %, коллоидные частицы отсутствуют. Эффективная удельная поверхность равна 17,2 м2/т, емкость обмена - 3 мг-экв на 100 г. Анализ грунтов показал соблюдение общей закономерности в снижении эффективной удельной поверхности от асканглины к суглинку и далее тирлянскому каолину. Микроструктуры всех исходных глинистых паст не ориентированы.
В эксперименте были использованы образцы с наиболее характерными для неуплотненных глинистых грунтов типами микроструктур, представляющими интерес при изучении миграции ионов металлов и жидких углеводородов в поле постоянного электрического тока.
Методика исследования микроструктуры грунтов. Изучение дисперсности исследуемых грунтов проводилось с помощью гранулометрического и микроагрегатного анализов (ГОСТ 12536-79).
Исследования микроструктуры проводились методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) в лаборатории электронной микроскопии кафедры инженерной и экологической геологии МГУ им. М.В.Ломоносова при содействии проф., д.гел.-мин.н. В.Н. Соколова. Методика подготовки образцов к исследованиям заключалась в вырезании ориентированных образцов пасты из анодной и катодной зон и неориентированного из исходной пасты, их консервации и последующей морозной вакуумной сушки. Методика микро-структурных исследований РЭМ приведена в литературе (Осипов В.И. и др., 1989). РЭМ изображения изучались при нескольких увеличениях. При малом увеличении (250) снимок содержит информацию о наличии и форме крупных пор, пылеватых и песчаных зерен, ориентации микрослоев. При больших увеличениях снимок содержит информацию о размере и форме структурных элементов, характере контактов и их ориентации.
Для образцов грунтов, при исследовании микроструктуры которых отмечено значительное изменение ориентации (две серии образцов), был выполнен количественный анализ микростроения по РЭМ — изображениям для анализа ориентации. Проведение количественного анализа морфометриче-
ских и геометрических признаков микростроения выполнялось по программе СТИМАН. При этом были получены показатели пористости, коэффициента анизотропии, угла ориентации.
Изменение микроструктуры глинистых грунтов в результате электрохимической миграции неорганических электролитов. Влияние минерального состава на структурные изменения было изучено на глинах каолинитового и монтмо-риллонитового составов. Выявлено, что для монтмориллонита изменение общей пористости незначительно — от 59% в исходной пасте до 51 и 56% соответственно в анодной и катодной зонах. В каолине было получено уменьшение пористости в образцах из анодной зоны (49%) по сравнению с катодной (58%). Изменения показателей ориентации структурных элементов в монтмориллони-товой глине не происходит, коэффициент анизотропии изме-няется в диапазоне 6,4; 5,3; 5,9% в анодно-центральной и катодной зонах. В каолинитовой глине установлено увеличение коэффициента анизотропии от 5,9% в анодной зоне до 21,3% в катодной зоне. Эксперименты проводились при влажности, соответствующей верхнему пределу пластичности исследуемых глин.
Влияние дисперсности на характер изменения микроструктуры изучалось на грунтах суглинистого и глинистого составов. Анализ проведенных исследований суглинка и глин каолинитового и монтмориллонитового составов, насыщенных дистиллированной водой показал, что влияние электрического тока на микроструктуру значительнее для высокодисперсных грунтов.
Влияние концентрации парового раствора и его химического состава на микроструктуру грунтов изучалось в образцах суглинка и его моноионных формах.
Изменения, происходящие в образце среднего суглинка, насыщенного дистиллированной водой, под действием постоянного электрического тока наиболее ярко проявляются в анодной зоне. Грунт обладает низким pH по-рового раствора (1 — 3) и низкой влажностью. Грунт в анодной зоне образца имеет матричную микроструктуру. Микроструктура образована пылеватыми зернами и глинистыми микроагрегатами. Характерно большое количество изометричных пор — межзернисто-межмикроагрегатных с размером 2-5 мкм и крупных до 50 мкм в диаметре. Микроструктура неориентированная. Микроструктура грунта из катодйой зоны — турбулентно-матричная. Изменений по сравнению с исходным образцом и анодной зоной почти нет: незначительно изменился характер пор, их форма изометричная, но распределение неравномерное.
Для суглинка, содержащего в поровом растворе 1Н хлорид магния, исследованы анодная, средняя и катодная зоны образца. В анодной зоне суглинок имеет матричную микроструктуру, сложенную плотными глинистыми микро-агрештами, пылеватыми и песчаными зернами, покрытыми глинистыми рубашками. Преобладают изометричные и щелеввдные поры. Характер контактов между частицами в микроагрегатах обусловлен значительной агрегацией элементов. Образец из центральной части имеет микроструктуру аналогичную исходному образцу, то есть микроструктуру скелетного типа. Характерно большое количество мелких и крупных межмикроагрегатных пор. В катодной зоне микроструктура образована крупными глинистыми микроагрегатами и агрегатами с включениями пылеватых частиц. Микроагрегаты контактируют по типу базис-базис. Преобладают анизометричные поры. Агрегаты и микроагрегаты в катодной зоне образца ориентированы.
Поскольку 7п-форма суглинка имеет грубодисперсную микроструктуру, характерных изменений в структуре не отмечено. Размер зерен достигает 10 —20 мкм. Пылеватые и песчаные зерна покрыты глинистыми рубашками.
Таким образом, при изменении начальных условий эксперимента для суглинка получено, что при более высокой силе тока и концентрации электролита происходит значительная агрегация структурных элементов в анодной зоне и их ориентация в катодной зоне.
При изучении влияния исходных физических свойств глинистых грунтов нарушенного сложения на степень структурных изменений под действием электрического тока отмечены явные изменения, проявляющиеся в лучшей ориентированности структурных элементов образца при влажности образца, близкой к влажности верхнего предела пластичности.
Таким образом, в результате исследований установлено, что в анодной зоне образцов уменьшается общая пористость, изменяется характер распределения пор по размерам, характер контактов, происходит агрегация структурных элементов. В катодной зоне увеличивается общая пористость, форма пор становится анизометричной, происходит ориентированная агрегация структурных элементов.
Изменение микроструктуры глинистых грунтов в результате электрохимической миграции углеводородов. Влияние углеводородов на изменение микроструктуры глины каолинитового состава проявляется в формировании по всей длине образца однородной, среднедисперсной, высокоориентированной, смешанной микроструктуры. Между частицами и микроагрегатами преобладают контакты по типу базис-базис или базис — скол под небольшим углом.
Изучить особенности строения самого органического вещества в поровом растворе грунта не представляется возможным. В результате адсорбции на поверхности глинистых частиц толстой пленки органического вещества их морфологические особенности утрачены. Однако качественная оценка адсорбированного на поверхности минералов органического вещества позволяет предположить, что толщина пленки в анодной части образца достигает 600 “
1000 д и образует на поверхности минералов структурные элементы в виде глобул сферической формы. Такая структура характерна для агрегированного высокомолекулярного органического вещества в кислой среде. В катодной зоне образца отмечается значительное снижение толщины органической пленки на поверхности глинистых частиц и исчезновение глобул. Подобный эффект связан с удалением из катодной зоны образца части нефти и изменением микроструктуры органического вещества в условиях щелочной среды.
Количественный анализ микроструктуры грунта в интервале от анода к катоду показал, что изменения в микроструктуре происходят по всей длине образца (рис. 2, 3).
В анодной и катодной зонах образца общая площадь пор и общий периметр пор возрастает, а в средней части с pH 5 - 7 — снижается по сравнению с исходным. Вклад различных категорий пор в общую пористость также имеет сложную зависимость (рис. 2 а). В образце преобладают межагрегатные и межзернистые поры. Изменение средних значений диаметра площади и периметра пор имеет схожую тенденцию к увеличению в средней части образца и к снижению в приэлектродных зонах. Удельная поверхность грунта по длине образца резко увеличивается в приэлектродных зонах и снижается в средней части образца (рис. 2 б).
Характер зависимости идентичен изменению общего периметра пор по длине образца. Коэффициент анизотропии снижается в катодной и анодной части образца на 6 — 7 % соответственно. В средней части образца коэффициент анизотропии возрастает (рис. 2 в, 3 а, в).
Ка - 22.2*4. а1Гя - !И Ка - 15.0%. а!Га = 5.4
Ка = 22.8%, »¡Г» = 160.91<1гй1«) Ка = 17.7%. а1Ги = 167.6 (йерхт)
Рис. 2. Изменение под действием постоянного электрического тока:
а - анизотропии исходного грунта; б - образцов из анодной; в - средней; г - катодной зон водонефтенасыщенного фунта
Анализ данных по распределению пор по фактору формы показал, что в образце тирлянского каолина без нефти преобладают неизометричные поры (рис. 3 а).
Присутствие в образце нефти приводит к изменению характера распределения пор по фактору формы (рис. 3 б). Воздействие электрического тока приводит к увеличению количества щелевадных и снижению — изометрич-ных пор в анодной и средней части образца (рис. 3 в, г). Для катодной части образца с pH 10-12 характерно отсутствие щелевидных пор (рис. 3 г).
Мій ~ 0.13479 Мнх ■= 0.89750 Мм! =*0.44722 ОЬі = 0.16Л7І ;
N*0 = 43363«)
МІП-0.О7266 Мм* «0.95259 Мк1 «0.5544$ Ом *» 0.16026; N»0 - 130906
<‘Р«:інин мша
й
Ґ-
э
ж
а
з
«■.
сз
КГ
Мі«-0.16950 Мал - 0.98749 МЫ - 0.50477 ОЬ-0.15925; N4«-*- 569431
катодная >оап
Рис. 3. Распределение пор по фактору формы в водонефтенасыщенном грунте под действием постоянного электрического тока в:
а - исходном грунте; б - анодной; в - средней; г - катодной зоне
ВЫВОДЫ
Таким образом, по данным РЭМ установлено, что под действием постоянного электрического тока в глинистых грунтах происходят микрострукгур-ные изменения в зависимости от их минерального состава, дисперсности, физических свойств и начальных условий эксперимента.
Выявлены количественные закономерности изменения микроструктуры глинистых грунтов с различными загрязнениями (жидкими углеводородами, щелочноземельными, переходными и тяжелыми металлами) при их удалении под действием постоянного электрического тока.
Показано, что в результате электрохимической миграции металлов и элек-трокинетической миграции нефти происходит агрегирование частиц грунта в анодной зоне и ориентация агрегатов и микроагрегатов в катодной зоне образца.
Воздействие постоянного электрического тока на нефтенасьпценные глины каолинитового состава приводит к формированию в них анизотропной среднедисперсной высокоориентированной смешанной микроструктуры с преобладанием межагрегатных контактов по типу базис — базис и реже базис — скол под малыми углами.
ЛИТЕРАТУРА
Вадюнина А.Ф. К вопросу об электромелиорации засоленных почв // Вестн. МГУ, сер. Биология, Почвоведение, №4, 1966. — С. 34-41
Вадюнина А.Ф.. Березин П.Н. Влияние постоянного электрического тока на эффективность промывки солонцеватых солончаков // Вестн. МГУ, сер. Биология, Почвоведение, №4, 1968. — С. 9-14
Жинкин Т.Н. Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве Л. — М., 1966. - 193 с.
Жинкин Г.Н., Калганов В.Ф. Электрохимическая обработка грунтов в основаниях сооружений. — М., 1980.
Зиангиров P.C. Объемная деформируемость глинистых грунтов. — М., 1979. — 164 с. Коржуев А. С., Титков Н.И. Электрохимический метод закрепления грунтов и перспективы его применения при бурении скважин. — М., 1959. — 235 с.
Некрасова МЛ Авггореф. дисс. «Закономерности электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах». — М.: МГУ, 1999. — 24 с. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Физика почвы — М., 1967. — 583 с.
Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева И.А. Микроструктура глинистых пород / Под. ред. E. М. Сергеева — М., 1989. — 240 с.
MICROSTRUCTURE TRANSFORMATION OF CLAY SOILS AS A RESULT OF INORGANIC ELECTROLYTE AND LIQUID HYDROCARBONS ELECTROCHEMICAL MIGRATION
M.A. Nekrasova
Ecological Faculty, Peoples ’ Friendship Russian University,
Podolskoye shosse, 8/5, 113093, Moscow, Russia
Electrode processes (the change of acid-alkali balance) and electro-surfacing phenomenon (electro-osmos, deformation and polarization DEL) arising under the direct electric current serve as prerequisites to the transformation of clay soil microstructure. Structure transformations in the near-electrode zones of soil are different depending on these processes. Parameters difference in the microstructure of soils depends on the fust conditions of experiment, mineral composition, dispersion, humidity-density of probe and chemical composition of pore solution.
