CC BY
64
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 544.723.23
ИЗУЧЕНИЕ АКТИВАЦИИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНОГО БЕНТОНИТА КАРБОНАТОМ НАТРИЯ
С. В. Бортников, Г. А. Горенкова
Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова
Работа посвящена изучению процесса активации природного глинистого материала бентонита карбонатом натрия с целью повышения его технологических свойств. Для восьми образцов бентонита карьера «Десятый Хутор» (Республика Хакасия) установлено оптимальное содержание карбоната натрия, обеспечивающее максимальный ионный обмен и лучшие физико -химические параметры бентонита.
Ключевые слова: бентонит, активация, карбонат натрия, ионный обмен, водопоглощение, коллоидальность.
Среди природных глинистых минералов особое место занимают бентонитовые глины. Специфика химического состава и строения определяет их высокую поглотительную способность. Бентониты активно поглощают воду, ионы солей, органические молекулы, тем самым обусловливая широкие возможности практического использования. Бентопорошки находят применение в различных областях народного хозяйства - от металлургии и применения в буровых растворах до пищевой промышленности [1, 2].
Лучшими технологическими свойствами обладают те бентониты, основной минерал которых - монтмориллонит, содержащий преимущественно обменные катионы натрия. Между тем месторождения природнонатриевого бентонита встречаются редко. Практически все российские бентониты - кальциево-магниевые. Для улучшения технологических свойств таких глин их активируют: обогащают катионами более подвижного элемента [3].
Основным процессом при активации глины является замена в глинистой составляющей двухвалентных ионов кальция и магния на одновалентный ион щелочного металла. Образующийся в ходе ионного обмена карбонат кальция (магния) может образовывать неорганические отложения, которые осаждаются из водных композиций этих активированных бентонитов [4, 5].
Целью настоящей работы является определение оптимальных условий активации щелочноземельных бентонитов карьера «Десятый Хутор» (Республика Хакасия) для придания им технологически полезных свойств.
Для анализа исходного сырья (образцы разных пластов карьера 1-8) были использованы методики определения влажности, концентрации обменных катионов кальция и магния, коллоидальности и водопоглощения, предусмотренные ГОСТ [6]. Характеристики исходных образцов приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Содержание обменных катионов кальция и магния в исходном сырье
№ образца Общая жесткость, мг-экв/100 г [Са2+], мг-экв/100 г [Mg2+], мг-экв/100 г
1 70 47 23
2 78 61 17
3 49 40 9
4 72 49 23
5 48 35 13
6 60 34 26
7 65 38 27
8 57 34 23
Таблица 2
Физико-химические характеристики исходных бентонитов
Характеристика N° образца
1 2 3 4 5 6 7 8
Массовая доля влаги, % 2,9 6,4 3,5 1,9 2,6 1,6 2,2 2,7
Коллоидальность, % 19,3 16,0 18,0 18,7 26,7 28,0 22,7 49,4
Водопоглощение, ед. 1,7 1,6 1,4 1,7 1,6 1,6 2,2 2,9
Анализ исходного сырья показал, что все образцы характеризуются довольно высокими техническими характеристиками и пригодны для дальнейшей модификации.
Число катионов кальция и магния в обменном комплексе неактивированного бентонита составляет 40-70 мг-экв на 100 г глины у разных образцов.
Влажность исследуемых глин довольно низкая - в среднем от 1,5 до 3,5 %. При этом следует отметить, что время, необходимое для потери воды минералом, у разных образцов различно. Для установления постоянной массы навески при высушивании для образцов 3, 4, 7 и 8 требуется значительно больше времени - 1,5-2 часа, в отличие от образцов 1, 2, 5 и 6, потеря воды у которых заканчивается через 1 час. Низкая влажность глины предполагает необходимость использования в процессе активации воды и возможность значительного варьирования данного показателя.
Коллоидальность образцов варьирует в пределах от 16 % до 28 %. Существенно отличается от всех образец 8, коллоидальность которого довольно высокая и до активации составляет 49,4 %.
Водопоглощение исходных минералов составило в среднем от 1,4 до 2,9 единиц. Образец 8 и по данному показателю (2,9 единиц) значительно превосходит другие исследуемые бентониты. Высоким значением водо-поглощения характеризуется также 7-я проба - 2,2 единиц.
Дальнейший эксперимент заключался в обработке щелочноземельных бентонитов карбонатом натрия в различных условиях. Реагент добавляли в количестве 0,1; 2 и 5 % от общей массы навески.
Для оценки результатов активации определялись такие физико-химические характеристики, как коллоидальность материала и его способность к набуханию. Оба параметра являются определяющими при использовании бентонитов в промышленности.
Эффективность ионного обмена оценивалась по количеству обменных катионов кальция и магния в минерале после активации. Как показал эксперимент, реакция всех образцов (восемь пластов карьера) на обработку карбонатом натрия существенна (рис. 1). Если число катионов щелочноземельных металлов (общая жесткость) в обменном комплексе неактивированного бентонита составляло 40-70 мг-экв/100 г у разных образцов, то после активации концентрация обменных катионов кальция и магния значительно снизилась, что может свидетельствовать о прошедшем ионном обмене. При этом фиксируется линейная зависимость содержания оставшихся после активации обменных катионов кальция и магния в бентоните от количества добавляемого реагента. Максимальный эффект замещения наблюдается при 5 %-й добавке реагента.
□ После активации
□ До активации
Рис. 1. Изменение содержания обменных катионов кальция (II) и магния (II) в процессе активации
Как показал эксперимент, высокое содержание карбоната натрия при обработке глины отнюдь не способствует улучшению физико-химических характеристик бентонита. Так, коллоидальность бентопорошков резко увеличивается по сравнению с исходным сырьём уже при добавлении 0,1 % карбоната натрия. Такое поведение отмечено для всех исследуемых образцов независимо от их исходных характеристик. Увеличение содержания реагента до 2 и 5 % не способствует существенному увеличению данного показателя, а в некоторых случаях (образец 6) даже ухудшает его (табл. 3, рис. 2).
Таблица 3
Коллоидальность бентопорошков после активации карбонатом натрия
Конц. соды, % Коллоидальность, %
1 2 3 4 5 6 7 8
0,1 31,3 81,4 66,7 72,0 69,4 88,0 76,0 86,7
2 80,7 86,0 78,7 84,0 86,7 80,0 87,4 89,4
5 88,0 81,4 76,0 88,7 89,4 83,4 89,4 96,0
Показатель водопоглощения достигает максимального значения при активации с 2 -мя % соды. Дальнейшее увеличение количества реагента значительно ухудшает данный показатель (табл. 4, рис. 3).
Такое поведение бентонитов вполне закономерно. Водопоглощение и коллоидальность существенно зависят не только от структуры и химического состава минералов, но и от наличия и величины электрического заряда
их поверхностных и внутренних слоев. Так, способность поглощать воду напрямую зависит от величины некомпенсированных электрических зарядов на поверхности глинистых минералов и внутренних слоях монтмориллонита. Избыток одновалентных катионов (№+), по-видимому, существенно снижает (изменяет) суммарный заряд частиц. Всё это приводит к тому, что эффективное притяжение полярных молекул воды становится невозможным [2, 4]. Таким образом, использование больших концентраций реагента-активатора - соды - не является рациональным и эффективным.
Полученные результаты позволяют говорить о высоких технологических характеристиках исходных минералов и значительной эффективности их дальнейшей модификации - обогащении ионами натрия.
Карбонат натрия (кальцинированная сода) является эффективным активатором для модификации и улучшения технических характеристик исследованных бентонитов.
Добавка реагента, %
Рис. 2. Изменение коллоидальности ( %) при активации бентонита
Таблица 4
Водопоглощение бентопорошков после активации карбонатом натрия
Конц. со- Водопоглощение, ед.
ды, % 1 2 3 4 5 6 7 8
0,1 1,8 4,2 2,5 3,7 3,3 3,6 4,7 5
2 6,6 6,6 4,0 5,3 4,8 5,7 6,0 6,5
5 2,5 2,5 1,8 2,6 1,8 1,9 4,0 3,4
Добавка реагента, %
Рис. 3. Изменение водопоглощения (ед.) при активации бентонита
Концентрация реагента (соды) имеет важное значение для ионообменных процессов и качества продукта. Оптимальное содержание реагента-активатора, обеспечивающего максимальный ионный обмен и лучшие физико-химические параметры бентонита (водопоглощение, коллоидальность), составляет 1-2 % от массы сырья. При этом коллоидальность бентонита достигает высоких значений и при более низких концентрациях активатора (от 0,1 %). Учитывая это, можно сэкономить расход реагента (соды) в тех случаях, когда нет потребности в высоком значении водопоглощения продукта.
Библиографический список
1. Соколов, В. Н. Глинистые породы и их свойства / В. Н. Соколов // Соросовский образовательный журнал. - 2000. - Т. 6. - № 9. -С. 59-65.
2. Кульчитский, Л. И. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород / Л. И. Кульчитский. - М.: Недра, 1981. -253 с.
3. Котов, Ю. А. Ионы и ионный обмен / Ю. А. Котов. - М.: Химия, 1980. - 162 с.
4. Горюшкин, В. В. Технологические свойства бентонитов палеоцена воронежской антеклизы и возможности их изменения / В. В. Горюшкин // Вестник Воронежского университета. Геология. - 2005. - N° 1. - С. 166-177.
5. Марцин, И. И. Регулирование адсорбционных свойств дисперсных минералов методом кислотной активации / И. И. Марцин // Глины, глинистые минералы и их использование в народном хозяйстве: материалы XII Всесоюз. совещания. - Алма-Ата. - 1985. - С. 147.
6. Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия : ГОСТ 28177-1989.. - М.: Изд-во стандартов. - 1989. - С.1-28.
© Бортников С. В., Горенкова Г. А., 2012
