CC BY
114
УДК 548.3
М. С. Клепиков (асп.)1, А. А. Щербаков (асп.)1, В. В. Викторов (д.х.н., проф.)2, Н. Ф. Солодкий (к.т.н.)3, В. В. Рукавишников (к.х.н., зам. дир.)4
Влияние гидротермальной обработки каолинов Полетаевского
О 1 U
месторождения на их химический и фазовый состав
Челябинский государственный педагогический университет, 1 кафедра химии и методики преподавания химии, 2кафедра общей и теоретической физики 454080, Челябинск, пр-т. Ленина, 69; тел. (351) 2393601, e-mail: postbox@cspu.ru
3ООО «Керамическое бюро» 457040, г. Южноуральск, Спортивная, 13; e-mail: keramicbyuro@yandex.ru
4ООО «КАРБО Керамикс Евразия» 454080, г. Копейск, Еткульский тракт, 11; e-mail: vladimir-rukavis@mail.ru
M. S. Klepikov1, A. A. Shcherbakov1, V. V. Viktorov2, N. F. Solodkij3, V. V. Rukavishnikov4
Effect of hydrothermal treatment kaolin of Poletaevskoe deposits on their chemical and phase composition
I,2Chelyabinsk State Pedagogical University 69, Pr. Lenin, 454080, Chelyabinsk, Russia; ph. (351) 2393601, e-mail: postbox@cspu.ru
3OOO «Ceramic Desk» 13, Sportsav, 457040, Yuzhnouralsk, Russia; e-mail: keramicbyuro@yandex.ru
4OOO «CARBO Ceramics (Eurasia)» II, Etkulsky tract, 454080, Kopeysk, Russia; e-mail: vladimir-rukavis@mail.ru
Проведена гидротермальная автоклавная обработка представительных проб каолина Полетаевского месторождения Челябинской области водным раствором соляной кислоты. Физико-химическими методами (оптическая эмиссионная спектрометрия, рентгенография по схеме Брегга-Брентано) исследован химический и фазовый состав образцов до и после обработки. Определена фаза железосодержащего минерала в составе каолинов (индивидуальная фаза у-РеООН — минерал лепидокрокит). Показана эффективность применения гидротермальной обработки каолинов данного месторождения.
Ключевые слова: гидротермальная обработка; иллит; каолин; каолинит; кварц; керамика; лепидокрокит; Полетаевское месторождение; рентгенофазовый анализ; соляная кислота; химический анализ.
The hydrothermal autoclaving processing of samples of kaolin of Poletaevskogo deposits Chelyabinsk region with aqueous hydrochloric acid is carried out. By the physicochemical methods (optical emission spectrometry, X-ray scheme Bragg-Brentano) the chemical and phase composition of the samples before and after treatment is investigated. The phase iron minerals in the kaolin (individual phase y-FeOOH — mineral lepidocrocite) is defined. The efficiency of the hydrothermal treatment of the kaolin this deposits is shown.
Key words: ceramics; chemical analysis; hydrochloric acid; hydrothermal treatment; illite; kaolin; kaolinite; lepidocrocite; Poletaevskoe deposit; quartz; X-ray analysis.
Каолин является одним из наиболее универсальных видов минерального сырья, используемого в промышленном производстве 1. Огнеупорность, химическая инертность, высокая дисперсность, белый цвет, большое содержание глинозема, способность сохранять заданную форму, приобретать высокую прочность после обжига, сильно развитая активная поверхность — вот далеко не полный перечень свойств каолина, предопределяющих его ис-
Дата поступления 10.04.13
пользование 2. Согласно данным 3, после распада СССР Российская Федерация осталась фактически без сырьевой базы качественных каолинов. Существующие производства обеспечивают потребности российских предприятий только на 10%, предлагая не самые высокие сорта каолинов. В особенно тяжелой ситуации из-за импортной зависимости оказались предприятия, выпускающие тонкокерамические изделия, электрофарфор, строительную керамику 4.
В сложившейся ситуации возможным решением проблемы может стать выбор оптимального способа обогащения каолинов Полета-евского месторождения для получения высококачественных продуктов для тонкой керамики, поскольку до настоящего времени это сырье использовалось исключительно для производства огнеупорных изделий.
Целью настоящей работы является улучшение качества полетаевского каолина, расширение области его применения и исследование влияния гидротермальной автоклавной обработки каолина на изменение химического состава.
Экспериментальная часть
Для исследования брали белые и светлосерые пробы каолинов Полетаевского месторождения Челябинской области. Для усреднения вещественного состава все пробы предварительно измельчали в агатовой ступе до среднего размера частиц порядка 10—50 мкм, в результате чего было достигнуто усреднение химического состава.
Химический анализ глин проводили с использованием оптического эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой SpectroCirosVision.
Рентгенофазовый анализ при комнатной температуре проводили на дифрактометре ДРОН-3М с фокусировкой по схеме Брегга-Брентано.
Образцы каолинов обрабатывали гидротермальным способом в автоклаве раствором соляной кислоты с концентрацией 10% мас. при соотношении Т:Ж ~ 1:1 (% мас.), что превышает стехиометрическое количество HCl в ~ 4 раза. Автоклав выдерживали при температуре 200 oC в течение 30 мин. Расчетное давление внутри автоклава составляло (15-20)-105 Па. Для исключения взаимодействия раствора соляной кислоты с материалом стенок автоклава использовали футеровку из фторопласта. После обработки полученные образцы каолинов отмывали в воде до отсутствия реакции на ионы железа и высушивали в лабораторном сушильном шкафу при температуре 100-110 oC.
Обсуждение результатов
Химический состав определяли для пяти проб каолина, результаты анализов представлены в табл. 1. Рентгенофазовый анализ всех проб каолина-сырца выявил несколько отчетливых пиков каолинита и кварца, также достаточно заметными по интенсивности оказались рефлексы иллита. Поскольку в виду малого процента содержания соединений железа возможность обнаружения их на рентгенограмме обычно ограничена, была поставлена задача определения фазы железосодержащего минерала.
Используя пошаговое сканирование с экспозицией 5 с, удалось обнаружить три сильнейшие линии лепидокрокита (у-РеООН). Для достоверности результата провели более точное сканирование с увеличенной экспозицией (20 с), с шагом 0.0100 на трех узких угловых интервалах (31.1 - 31.90; 42.1 - 42.90; 54.8 -55.60), которые по базе данных дифрактомет-рии должны содержать три максимальных рефлекса лепидокрокита. В результате уточненных измерений было подтверждено предположение о существовании данного минерала в составе каолинов. Комплексная рентгенограмма пошагового анализа, включающая три «увеличенных» участка, представлена на рис. 1. В проанализированных нами литературных источниках сообщается о присутствии в каолинах таких железосодержащих минералов, как лимонит, гетит, марказит и т.п., однако, ни в одном источнике не удалось найти информации о наличии лепидокрокита в составе каолинов Полетаевского месторождения.
После автоклавной обработки исследовали химический и фазовый состав каолинов. Результаты химического анализа всех модифицированных проб представлены в табл. 2. Несмотря на изменение химического состава, фазовый состав каолинов после гидротермальной автоклавной обработки практически не изменился, за исключением снижения интенсивности, а зачастую и исчезновения рефлексов, соответствующих лепидокрокиту (у-РеООН).
Таблица 1
Химический состав проб каолина-сырца
Пробы каолина-сырца Содержание компонентов в прокаленном веществе, % мас.
SiO2 AI2O3 + TiO2 Fe2O3
Проба 1 69.31 25.56 1.91
Проба 2 71.22 23.89 2.00
Проба 3 70.57 23.92 1.95
Проба 4 65.81 27.11 2.12
Проба 5 65.53 26.90 2.10
Рис. 1. Комплексная рентгенограмма каолина-сырца
Таблица 2
Химический состав проб модифицированного каолина методом автоклавной обработки
Пробы обогащенного каолина Содержание компонентов в прокаленном веществе, % мас.
SiO2 AI2O3 + TÍO2 Fe2O3
Проба 1 70.13 21.26 1.01
Проба 2 72.25 22.65 1.17
Проба 3 72.90 22.72 0.84
Проба 4 69.47 25.41 0.97
Проба 5 69.08 24.98 1.02
Взаимодействие соляной кислоты с последним можно описать уравнением:
3НС1 + РеО(ОН) ^ РеС13 + 2Н2О
Таким образом, метод гидротермальной автоклавной обработки каолинов Полетаевс-
Литература
1. Солодкий Н. Ф. Хозяйственный фарфор на основе каолинов месторождения «Журавлиный Лог». // Автореферат диссертации кандидата технических наук.- Томск.- 1999 г.- С.26.
2. Масленникова Г. Н., Солодкий Н. Ф., Солод-кая М. Н., Шамриков А. С. // Стекло и керамика.- 2004.- №8.- С.14.
3. Солодкий Н. Ф., Солодкая М. Н., Шамриков А. С. Сырьевая база керамической и огнеупорной промышленности Урала.// Сборник «Современное состояние и перспективы использования сырьевой базы Челябинской области». - Челябинск, 2000.- С.106.
4. Шамриков А. С. Обзор сырьевой базы каолинов в России и за рубежом. // ВНИИ ЭСМ. Экспресс-обзор. Серия 5. Выпуск 1-2. Керамическая промышленность.- М. 2001.- С.З.
кого месторождения позволяет снизить содержание в них оксидных соединений железа в -2 раза. Полученные образцы модифицированного каолина соответствуют требованиям ГОСТ 21286-82 (Каолин обогащенный для керамических изделий марка КФ-2).
References
1. Solodkij N. F. Hozjajstvennyj farfor na osnove kaolinov mestorozhde-nija «Zhuravlinyj Log». / / Avtoreferat dissertacii kandidata tehnicheskih nauk.- Tomsk.- 1999 g.- S.26.
2. Maslennikova G. N., Solodkij N. F., Solodka-ja M. N., Shamrikov A. S. // Steklo i keramika.-2004.- №8.- S.14.
3. Solodkij N. F., Solodkaja M. N., Shamrikov A. S. Syr'evaja baza keramicheskoj i ogneupornoj promyshlennosti Urala.//Sbornik «Sovremennoe sostojanie i perspektivy ispol'zovanija syr'evoj bazy Cheljabinskoj oblasti».- Cheljabinsk, 2000.- S.106.
4. Shamrikov A. S. Obzor syr'evoj bazy kaolinov v Rossii i za rubezhom. // VNII JeSM. Jekspress-obzor. Serija 5. Vypusk 1-2. Keramicheskaja promyshlennost'.- M. 2001.- S.3.
