Поверхностная активность горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 691.22

В.С. ЛЕСОВИК, д-р техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; М.А. ФРОЛОВА, канд. хим. наук (aizenmaria@gmail.com), А.М. АЙЗЕНШТАДТ, д-р хим. наук, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (Архангельск);

Поверхностная активность горных пород*

Анализ и обобщение исследований по физико-химическим основам генезиса горных пород как сырья стройиндустрии, проведенный в [1, 2], позволил сформулировать основные положения процесса образования минералов и горных пород с точки зрения природы и состояния поверхности гетерогенных конденсированных фаз. При этом одним из основных параметров, по которому можно исследовать поверхность и контролировать изменение ее характеристик в реальных процессах, являются по [1] кислотно-основные свойства, которые во многом определяют реакционную способность твердого вещества. Вместе с тем модель строения поверхности твердого тела, учитывающая только адсорбционные центры, например Льюисовские основные, Бренстедовские кислотные, не может учитывать потенциальную ее возможность проявлять активность в таких сложнейших процессах, как, например, диффузия, капиллярные явления и пр. Особенно это важно для материалов в высокодисперсном состоянии, которым свойственна неоднородность поверхности, состоящей из частиц нано- и микроразмерной степени дисперсности.

Однако оценить общую склонность поверхности высокодисперсной системы к трансформационным превращениям можно исходя из термодинамической характеристики ее энергетического состояния, которое определяется как уровнем общего запаса потенциальной энергии горной породы (зависит от генезиса), так и ее части, перешедшей в поверхностную энергию при образовании новой поверхности твердого тела в процессе дробления материала. При этом надо учесть, что данный энергетический переход количественно определяется многими факторами: размером частиц, их структурой и формой, минеральным составом, дефектностью кристаллической решетки породообразующих минералов, газовоздушными и другими включениями, химической природой и т. д. В то же время мерой общего запаса энергии горных пород, как показано в работе [3], является энергия атомизации (Е1) или, если относить ее к молярной массе вещества, составляющего горную породу, удельная массовая энергия атомизации ^^ Дж/кг). В [3] на примере двух горных пород различного генезиса (базальт и полиминеральный песок) показана возможность расчета величины Ea на основе анализа их минерального состава. Кроме того, в исследованиях [4, 5], отработана методика определения величины свободной поверхностной энергии нанодисперсных материалов данных горных пород по значению поверхностного натяжения (стк — поверхностная энергия единицы площади поверхности, Дж/м2). Продолжая работы в этом направлении, в [7] показана возможность термодинамического расчета величины свободной поверхностной энергии (Ец, Дж/кг) высокодисперсной системы с учетом ее удельной поверхности м2/кг).

Es = акх^. (1)

Тогда отношение Es/Em представляет собой некий параметр (ks), характеризующий уровень использования запаса потенциальной энергии, заключенной в горной породе за счет активации ее поверхности — поверхностную активность высокодисперсных систем горных пород.

Целью исследований данной работы является расчет величины поверхностной активности ультрадисперсных систем, полученных диспергированием модельных образцов горных пород (базальт, полиминеральный песок). Эти результаты предположительно могут являться фундаментальной научной базой для проведения дальнейших полномасштабных исследований по построению общей энергетической классификации высокодисперсных материалов различного происхождения, используемых в качестве сырья для получения композитов строительного назначения.

Основные методики, используемые в этой работе при проведении экспериментов, описаны в статьях [3, 4—7], кроме того, там же приведена физико-химическая характеристика образцов базальта и речного полиминерального песка. Расчет энергетических характеристик исходных образцов и композиционных смесей производился на основании фундаментальных термодинамических положений [3].

В качестве сырьевых материалов использовались горные породы Архангельской области: базальт (месторождение горы Мяндуха в Плесецком районе) — эффузивная магматическая порода — и кремнеземсодержа-щая порода осадочного происхождения (речной песок месторождения Кеница), стадия поздний катагенез. Исходные образцы доводились до постоянной массы при температуре 105оС. Измельчение исходных материалов проводилось на планетарной шаровой мельнице Retsch PM100. Размер частиц полученных фракций определялся на анализаторе размера субмикронных частиц DelsaNano. Средний размер высокодисперсных образцов базальта составил 360+98 нм, кремнеземсо-держащей породы — 266+69 нм (93 и 92% от общего содержания соответственно). Фракционное размерное распределение полученных высокодисперсных образцов представлено в работе [7]. Дополнительно, для подтверждения размерных характеристик высокодисперсных образцов были получены методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе Zeiss SIGMA VP фотографии опытных образцов горных пород в высокодисперсном состоянии (электронная микроскопия проводилась в ЦКП САФУ «Арктика») (рис. 1, 2).

Композиционные смеси базальта и кремнезем-содержащей породы получались путем механического перемешивания исходных высокодисперсных образцов.

* Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» (ГК № 14.518.11.7018).

Ы ®

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2013

71

Рис. 1. Изображение (РЭМ) образца базальта со средним размером частиц 360±98 нм

Для расчета удельных величин энергии атомизации (Еп1) исходных высокодисперсных материалов и композиционных смесей были определены истинные плотности (р) всех испытуемых образцов пикнометрическим методом (по ГОСТ 5180—84). Удельная площадь поверхности анализируемых проб измерялась на установке АЛс^огЬ^р-МР методом сорбции азота. Критическое поверхностное натяжение исследуемых материалов определялось при помощи установки КЯи^ Еа8уБгор. Для этого использовались экспериментально полученные значения угла смачивания поверхности проб. В качестве стандартной жидкости применялся водный раствор этанола с различным объемным содержанием воды (4—50 об. %). Температура измерений во всех сериях колебалась в пределах 20±2оС. Критическое поверхностное натяжение рассчитывалось посредством построения графических зависимостей со8@=/(аж). Величина энергии поверхности Е^ вычислялась исходя из общей площади поверхности диспергированного образца по выражению (1).

Данные, полученные в ходе экспериментов по определению стк, 8уд и р, а также в результате проведенных расчетов энергетических характеристик Еа, представлены в таблице.

Экспериментальные данные позволили рассчитать поверхностную активность высокодисперсных образцов базальта (к^=0,42х10-5) и полиминерального речного песка (к^=0,29х10-5); при этом значения свободной поверхностной энергии (Е^) исследуемых материалов составляют: 112 Дж/кг и 79 Дж/кг соответственно. Порядок полученных величин Е^ хорошо согласуется с литературными данными. Так, в [8] автор, основываясь на значениях поверхностной и линейной плотности энергии ребра (2х10-5 Дж/см2, 3х10-13 Дж/см), приводит рас-

Рис. 2. Изображение (РЭМ) образца песка со средним размером частиц 266±69 нм

четную величину поверхностной энергии кристаллов с длиной ребра 1000 нм, равную 560 Дж/кг.

Обращает на себя внимание факт уменьшения поверхностной активности горных пород, который отмечается при смешивании высокодисперных образцов базальта и полиминерального песка в сравнении с исходными материалами. Так, в этом случае Е^ композитных смесей изменяется в пределах 67—74 Дж/кг.

На рис. 3 представлена зависимость Е^ДЕ^, которая имеет линейный характер с высоким коэффициентом достоверности аппроксимации Я2 = 0,98 и описывается уравнением прямой линии, исходящей из начала координат:

Е=0,3х10-5Е,„. (2)

Приведенные данные показывают, что поверхностная активность композиционной смеси (к^) исследуемых высокодисперсных образцов базальта и полиминерального песка, равная угловому коэффициенту вышеприведенной зависимости, имеет постоянное значение 0,3х10-5.

Практически идеальная линейная зависимость (рис. 3) между двумя параметрами, рассчитанными не связанными друг с другом методами (Em — расчет на основании минерального состава, Е^ — расчет на основании экспериментальных данных по ок и 8уд), может свидетельствовать о корректности применяемого подхода.

Таким образом, полученные данные показывают, что, например, в системе базальт — полиминеральный песок варьирование состава компонентов приводит к изменению общего энергетического запаса композита, однако возможная доля полезного использования этого

Доля песка (р±0,02)х10-3, кг/м3 Еа, кДж/моль Е„х10-3, кДж/кг (стк±0,02)х103, Дж/м2 Буд, м2/кг

0 2,99 1892,75 26,46 17,28 6446±774

0,2 2,83 1872,13 26,57 12,53 5362±643

0,3 2,78 1861,82 26,63 13,13 5200±624

0,5 2,83 1841,2 26,75 10,4 6883±826

0,7 2,78 1820,58 26,86 16,33 4537±544

1 2,57 1789,65 27,03 16,45 4822±579

72

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2013

0,08 0,076 0,072 0,068 0,064

0,06

Es, кДж/кг

• y=0,3E-0,5x

_ 2 R2=0,98

1 Em, кДж/кг

26500

26700

26900

27900

Рис. 3. Зависимость Es=f(Em) для композита на основе высокодисперсных базальта и полиминерального песка

энергетического потенциала в виде свободной поверхностной энергии при производстве строительных материалов остается постоянной.

Важный вывод, который можно сформулировать по вышеизложенному материалу, заключается в том, что в качестве основного критерия количественной энергетической классификации сырья на основе горных пород для получения строительных композитов можно использовать величину поверхностной активности (ks). Кроме того, представлена модель экспериментального определения параметров, необходимых для проведения расчета ks.

Ключевые слова: горные породы, энергия атомизации, удельная массовая энергия атомизации, величина энергии поверхности, поверхностная активность.

Список литературы

1. Лесовик В.С. Геоника. Предмет и задачи. Белгород:

Изд. БГТУ, 2012. 213 с.

4.

5.

2. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: Научное издание. М.: Издательство АСВ, 2006. 526 с.

3. Абрамовская И.Р., Айзенштадт А.М., Вешнякова Л.А., Фролова М.А., Лесовик В.С., Казлитин С.А. Расчет энергоемкости горных пород как сырья для производства строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 10. С. 23-25.

Фролова М.А., Тутыгин А.С., Айзенштадт А.М., Лесовик В. С., Махова Т.А., Поспелова Т.А. Критерий оценки энергетических свойств поверхности // Наносистемы: физика, химия, математика. 2011. № 2(4). С. 1-6.

Вешнякова Л.А., Фролова М.А., Айзенштадт А.М., Лесовик В. С., Михайлова О.Н., Махова Т.А. Оценка энергетического состояния сырья для получения строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 53-56.

6. Тутыгин А.С., Айзенштадт А.М., Лесовик В.С., Фролова М.А., Боброва М.П. Проектирование состава строительных композитов с учетом термодинамической совместимости высокодисперсных систем горных пород // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 74-75.

7. Абрамовская И.Р., Айзенштадт А.М., Фролова М.А., Вешнякова Л.А., Тутыгин А.С. Энергетика высокодисперсных композитов горных пород // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал (http://www.nanobuild.ru/). 2013. № 3. С. 56-65.

8. Цао Гонжун, Ин Ван. Наноструктуры и наномате-риалы. Синтез, свойства и применение / Пер. с англ. 2-го изд. А.И. Ефимова, С.И. Каргов. М.: Научный мир, 2012. 520 с.

Новосибирский государственный аграрный университет Томский государственный архитектурно-строительный университет Выставочный центр «1ТЕ Сибирская ярмарка»

Международная научно-техническая конференция «ИННОВАЦИОННЫЕ РАЗРАБОТКИ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ»

29-30 января 2014 г.

Новосибирск, Экспоцентр

Темы конференции:

Теоретические и методологические вопросы науки об инновационных технологиях. Роль физико-химических исследований в создании конкурентно способных материалов и технологий. Совершенствование материально-технической базы для инноваций в производстве строительных материалов.

4. Применение добавок и технологических приемов для повышения качества строительных материалов.

5. Нормативная база и экономико-организационные вопросы внедрения эффективных технологий в строительном комплексе.

Материалы для сборника научных трудов направлять до 31.12.2013 г. по e-mail: gmunsau@mail.ru; по почте: 630099, г. Новосибирск-99, Главпочтамт, а/я № 257Пичугину А.П.

Информационная поддержка:

Научно-технический журнал

Строительные Материалы*

Оргкомитет:

Новосибирск, ул. Добролюбова, 160 Тел/факс: 8(383)-267-12-54

2

fj научно-технический и производственный журнал

® ноябрь 2013 73~