CC BY
1
10. Kachurin N.M., Senkus V.V., Ermakov A.Yu. Physical model and mathematical description of methane transport in a mountain range of forming rocks // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 5. Pp.81-88.
УДК. 552.525
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГЛИН, АКТИВИРОВАННЫХ ДАВЛЕНИЕМ И ИОНАМИ
ЖЕЛЕЗА
В.В. Середин, М.А. Джугинисов, К.В. Шеина
Изменения адсорбционных свойств глинистых грунтов под влиянием механических давлений и насыщения ионами железа изучены не в полной мере. Поэтому в данной работе рассмотрены закономерности адсорбции водяного пара глинистыми грунтами, которые были обработаны давлениями и насыщены ионами железа, также изучены процессы адсорбции и десорбции ионов Fe3+ бентонитовой и каолиновой глинами. Изучение изменений адсорбционных свойств глинистых грунтов необходимо для понимания процессов, происходящих в грунтах, как в природных, так и в антропогенных условиях, особенно в случае загрязнения грунтов. Экспериментально установлено, что адсорбционная способность глин по отношению к водяному пару возрастает при обработке их давлением. При обработке глин давлением и при последующем насыщении их ионами железа в бентонитовой глине адсорбционная активность снижается в диапазоне 0-150 МПа, при более высоких давлениях изменяется незакономерно. В каолине происходит рост адсорбции при давлениях до 200 МПа, но она уменьшается при давлениях от 200 до 800 МПа. Бентонитовая глина, подвергнутая давлению до 10 МПа, способна адсорбировать ионы FeC¡3. С увеличением давления до 300 МПа, наоборот, ионы железа достаточно интенсивно переходят из твердой компоненты глины в раствор. При давлениях 300... 800МПа вынос ионов железа из минеральной части глин прекращается, о чем свидетельствует нестационарный вид изменчивости. У образцов каолиновой глины, обработанных давлением в диапазоне от 10 до 200 МПа, адсорбция ионов FeC¡3 не наблюдается, минеральная часть, наоборот, интенсивно поставляет ионы Fe+3 в раствор. С увеличением давления до 800 МПа интенсивность поставки ионов железа в раствор из минеральной составляющей каолина снижается.
Ключевые слова: обменные катионы, адсорбция, сорбция, десорбция, лаж-ность, давление, бентонит, каолинит, кристаллическая решетка, глина.
Введение
Для решения вопросов, связанных с управлением физико-химических свойств глин, используются технологии их активации путем: механической [1 - 4], термической [5,6], щелочной [7], кислотной [8] обработки.
Обработке глин давлением посвящены работы нескольких авторов La Iglesia [9] однако, вопросы, связанные с обработкой бентонитовой и ка-
олиновой глин высоким давлением и трехвалентными ионами, изучены недостаточно полно [10].
Так как глины являются сложными полиминеральными образованиями [11 - 13] и используются как сорбенты [14], изучение их свойств является очень важным.
Свойства глин, в том числе и сорбционные, во многом определяются строением кристаллической решетки, структурой [15], минеральным [16,17], гранулометрическим составом [18], условиями среды, поровым раствором [19,20].
Изменение сорбционной активности глин поддается при использовании механической [21, 22], термической, а также химической (щелочи и соли) обработки. Активизация глин методом механического сжатия их давлением меняет их свойства, структуру и состав.
Однако вопросы влияния техногенной нагрузки на адсорбционную способность бентонитовой и каолиновой глин изучены недостаточно полно, поэтому данная работа направлена на оценку воздействия высокого давления и железа на способность каолинита и, особенно бентонита, к адсорбции водяного пара. Монтмориллонит, имеющий высокую удельную площадь и емкость катионного обмена, может обеспечить эффективную адсорбцию ионов [23, 24].
Объект исследований
Для исследования в качестве образцов были выбраны бентонитовая глина из Курганской области и каолиновая глина из Челябинской области. Рентгеноструктурный анализ [22] показал, что бентонитовая глина в обогащенном состоянии содержит большое количество монтмориллонита (88,0 %), а также кварца (8,1 %), каолинита (0,9 %), КПШ (2,1 %) и иллита (0,9%). С другой стороны, каолиновая глина в обогащенном состоянии состоит в основном из каолинита (76,7 %), а также кварца (7,6 %), монтмориллонита (15,6 %), КПШ (0,1 %) и иллита (0,0 %).
Методика исследований
Специально сконструированный прибор [25] использовался для обработки образцов обогащенной глины на первом этапе, при повышении давления с Р=10 МПа до Р=800 МПа. Далее определяли адсорбцию (А1) образцами [26] водяного пара из воздуха, при комнатной температуре 1=22 °С и относительной влажностью воздуха ф=30 %.
Для этого образцы помещали в бюксы с открытой крышкой, которые находились в комнате при температуре воздуха t=22 °С в течение 24 часов. Затем образцы высушивали до постоянной массы в сушильном шкафу, поддерживая температуру воздуха 1=200 °С. Метод адсорбции был определен на основе зависимости
А,= (1)
тг
где тв - масса воды, мг; тг - масса сухой глины, г
На второй стадии была измерена адсорбция (А2) образцов, которые были насыщены водяным паром при относительной влажности ф=80 %.
«Для этого образцы грунта, подвергнутые давлению, были взвешены и прошли процесс высушивания в сушильном шкафу при температуре 200 °С до тех пор, пока не достигли постоянной массы».
Затем грунт массой около 3 граммов насыщали паром на паровой бане при температуре 1=60 °С. Насыщение образцов грунта влагой происходило следующим образом. Нагрев паровую баню до 1=60 °С на крышку корпуса бани устанавливаем несколько фарфоровых вставок от эксикатора. На вставках размещаем открытые бюксы с образцами грунта. Фарфоровые вставки нужны для того чтобы грунт, находящийся в бюксах, не нагревался от корпуса паровой бани и не испарял из себя влагу. Бюксы, находящиеся на паровой бане, накрываем стеклянным куполом, во избежание потери герметичности и выхода водяных паров. Также на верхнюю часть внутренней стороны стеклянного купола приклеили фильтровальную бумагу с целью предотвращения попадания конденсата на грунт. Образцы насыщаются паром в течение 7 часов.
Затем увлажненный грунт размещали в сушильный шкаф на 5 часов при температуре 1=200 °С и высушиваем до постоянной массы. Адсорбция А2 вычислялась по формуле (1).
На третьем этапе определялась адсорбция-десорбция ионов железа глинами. Методически это осуществляется следующим образом: первоначально грунт насыщаем ионами железа путем размещения его в растворе хлорида железа концентрацией Сж=5мг/дм3, затем определяем концентрацию ионов железа в фильтрате (Сф, мг/дм3). Поле этого вычисляется адсорбция и десорбция ионов железа глиной по зависимости
А4 (Д) =Сж-Сф. (2)
В том случаи, если вычисленное значение положительно, то считаем, что грунт адсорбирует на свою поверхность ионы железа (А4). При отрицательном значении, грунт наоборот отдает ионы железа в раствор, тем самым повышает концентрацию раствора хлорида железа в нем. Поэтому считаем, что происходит десорбция глин (Д).
Реализация данного подхода осуществлялась следующим образом: высушенный грунт насыщаем раствором железа FeQ3 (5 мг/дм3).
Раствор готовится следующим образом: в мерную колбу У=100 см3 с помощью пипетки отбирают 5 см3 раствора FeQ3 (100 мг/дм3), который доводят до метки дистиллированной водой и перемешивается.
В стакан У=150 см3 помещаем грунт массой 3 г, заливаем 100 см3 рабочего раствора FeQ3 (5 мг/дм3). Стакан накрываем часовым стеклом и оставляем на сутки.
Через сутки определяем содержание железа общего в фильтрате. Для этого нужно отфильтровать рабочий раствор от грунта через фильтр «Синяя лента» в колбу У=250 см3. Полученный фильтрат переливаем в
стакан 400 см3. Также отбираем 100 см3 дистиллированной воды в стакан 400 см3 - это холостая проба (х.п.).
В вытяжном шкафу под вытяжкой добавляем к фильтрату и к холостой пробе 0,5 см3 НЫС3 концентрированной кислоты, которые затем упариваем до 1/3 начального объема.
Полученный раствор фильтруется через фильтр «Белая лента» в мерную колбу объёмом 100 см3 и нему добавляют 2,0 см3 аммония хлористого; 2,0 см3 сульфосалициловой кислоты и 2,0 см3 раствора аммиака. Колбу доводят до метки дистиллированной водой. После тщательного перемешивания и окрашивания в желтый цвет раствор оставляют на 5 минут для дальнейшего окрашивания.
Для определения остаточной концентрации раствора (Сф) использовали фотоколориметр для определения остаточной концентрации раствора на котором определяли оптическую плотность при длине волны Х=425 нм в кювете 1=10 мм по отношению к холостой пробе [27]. По формуле, полученной из градуировочного графика, находят остаточную концентрацию Fe (мг/дм3) в фильтрате.
На четвертом этапе определялась адсорбция глины, обработанной давлением и ионами железа, по водяному пару (А3) с относительной влажностью воздуха ф=80 %. Для этого насыщенный ионами железа грунт сушим при t=200°C, затем по схеме А1 насыщаем его парами воды и определяем адсорбцию по зависимости (1), изложенной выше (второй этап).
Обработка данных осуществлялась геологическими и вероятностно-статистическими методами.
Результаты экспериментальных исследований
1.1. Адсорбционные свойства каолиновой и бентонитовой глин, обработанных давлением
Бентонитовая глина. Экспериментальные данные влияния давления на адсорбцию бентонитовой глиной водяного пара из воздуха, насыщенного на ф=30 % (А1) и на ф=80 % (А2) представлены на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что с увеличением давления адсорбция бентонитовой глиной водяного пара при влажности воздуха ф=30 % возрастает с А1=91 мг/г до А1=100 мг/г. При насыщении воздуха водяным паром до ф=80 %, адсорбция глины возрастает в два раза по отношению к А1 и изменяется в интервале А2 =180.. .240 мг/г.
Скорость адсорбции увеличивается быстрее при давлении от 0 до 150 МПа, чем при давлении от 150 до 800 МПа. Данное наблюдение согласуется с результатами исследований [28 - 30].
Рис. 1. Влияние давления на адсорбцию бентонитовой глиной водяного пара при относительной влажности воздуха 30 и 80 %
Каолиновая глина. Экспериментальные данные влияния давления на адсорбцию каолиновой глиной водяного пара из воздуха, насыщенного
на ср=30 % (А1) и на ср=80 % (А2) представлены на рис.2.
140 130 120 110
4 100
1-1 "и
Я
Каолиновая глина
♦ 138,9
Я 3
а
ю &
о о
3
90 80 70 60 50 40 30
114
ш
>4,8
42 43 41 43,6 43,9 44,& 46,1 43 ■■ !■ !! " ¡1
Я8-Н-И-
—I-1-1-1-1
0 200 400 600 800 1000
ННасыщенная парами воды 30% ♦Насыщенная парами воды 80%
Давление, Р, МПа
Рис. 2. Влияние давления на адсорбцию каолиновой глины водяного пара при относительной влажности воздуха 30 и 80 %
Из рис. 2 видно, что при возрастании величины давления адсорбция каолиновой глиной водяного пара (ф=30 %) возрастает с А1=36 мг/г до А1=46 мг/г. При насыщении воздуха водяным паром до ф=80 %, адсорбция глины возрастает и составляет А2=94... 139 мг/л.
1.2. Влияние давления и ионов железа на адсорбцию глин
Графики на рис. 3 представляют результаты исследований адсорбции (Аз) паров воды при относительной влажности ф=80 % на образцах бентонитовой и каолиновой глины, которые были обработаны давлением и насыщены ионами железа.
290 270
Ья
S 250 230
«210 Я
lS,190
с
о
1
■ 247.2
ШО-
170
150
Бентонитовая глина
278 273
140
¿130
18.4
-412.9 я 205
■ 225,5
195.2
Щ
Ш 210.6
180
■ 184
"Т87~
= 120 Н ИЗ,f ю
164
О 100 200 300 400 500 600 700 800 Давление, Р, МПа
100
Каолиновая глина
33 143
П 135,7 П 132,3 33 129,5
Н 125,4 „ Н 122,Щ 121Д Н 124^
¡3:8,2
ЕЗ И2Д
33 107
33 102
-¡S-H+T-
33 105
О 100 200 300 400 500 600 700 800 Давление, Р, \1Па
а б
Рис. 3. Влияние давления и ионов железа на адсорбцию бентонитовой глины (а) и каолинитовой глины (б) по водяному пару при относительной влажности воздуха ф=80 %
Из рис. 3, а видно, что в случае увеличения давления до 150 МПа наблюдается уменьшение адсорбции образцов глины, содержащей железо, с 278 до 190 мг/г. При дальнейшем увеличении давления, значение A3 изменяется незначительно. Следует отметить, что насыщение ионами железа образцов бентонитовой глины, обработанных давлением, изменяет (зеркально) вид зависимости адсорбции водяного пара от давления. Кроме того, адсорбция исходной глины равная Ai=180 мг/г в 1,6 меньше адсорбции глины насыщенных ионами железа А3=280 мг/г.
На рис. 3, б представлены результаты исследований адсорбции водяного пара каолиновой глины при ф=80 % на обработанных давлением образцах и образцах, после насыщения ионами железа. Из графика видно, что при увеличении давления до 125 МПа адсорбция глины насыщенной железом возрастает с 107 до 143 мг/г. Однако при дальнейшем увеличении давления адсорбция глины уменьшается и достигает значения А3=105 мг/г.
Таким образом, можно сделать ряд выводов.
1. Адсорбционная активность глин по отношению к водяному пару возрастает при обработке их давлением.
2. При обработке глин давлением и при последующем насыщении их ионами железа в бентонитовой глине адсорбционная активность снижается в диапазоне Р=0... 150 МПа, при более высоких давлениях изменяется незакономерно. В каолине, наоборот, адсорбция возрастает до Р=200 МПа и снижается при давлении от 200 до 800 МПа.
Выявленные закономерности можно объяснить с позиции изменения энергетического потенциала на поверхности частиц, а точнее на границе между адсорбционным и диффузным слоями.
Формирование энергетического потенциала на поверхности частиц происходит со стороны твердой компоненты и поровой жидкости. Со стороны минеральной части энергетический потенциал связан с обменом ионов между октаэдрическим и тетраэдрическим пакетами и адсорбционным слоем.
Со стороны природного (техногенного) раствора с обменом ионов между диффузным слоем и поровой жидкости. Рассмотрим влияние ионообменных процессов на изменение адсорбционных свойств глин.
1.3. Оценка степени сорбции/десорбции исследуемыми глинами, обработанными давлением и ионами железа Fe+3
В методическом плане исследования проведены следующим образом: первоначально готовился поровый раствор с концентрацией FeQз равной Сж=5 мг/дм3. Затем обработанные давлением Р=0...800 МПа образцы глин помещались в сосуд с раствором хлорида железа. По изменению концентрации ионов железа (С) в растворе оценивали степень сорбции/десорбции глинистыми частицами ионов Fe+3.
На рис. 4 приведены данные по изменению концентрации хлорида железа (Сф) в поровом растворе глин, после обработки исходным раствором с концентрацией С=5мг/дм3 образцов бентонитовой и каолиновой глин, обработанных давлением.
Бентонитовая глина
Каолиновая глина
¿Г 13
<и
й 11
« а. > 3,67
га 3
♦ 12,08
♦ 8,43 7,45
—
10,49 » 9,21
4^,82
♦ 8,/5
♦ 7,63
десорбция
я
Р
№ кн
я
адсорбция
13 12
I11
ЙЮ Е
Л/ э
а о 8
я с
а 6
Н 12,91 „ «35
_.. п
Н 11,71 "И 11!,УЬ-
Н 12,36
1! 9,37
Н 8,38
8,39
Т71
"В
Ер5
а 6,46
"65-6791
2,19 -1—
1-1-1-1-1-1-1
100 200 300 400 500 600 700 800 Давление, Р, МПа
77ь
десорбция
Н-А02-
100 200 300 400 500 Давление, Р, МПа
600 700 800
а б
Рис.4. Изменение концентрации ГвС1з в растворе с его начальной
концентрацией 5мг/дм3 при насыщении раствором образцов бентонитовой (а) и каолиновой (б) глин, обработанных давлением
Из рис. 4, а видно, что в диапазоне давлений бентонитовой глины Р=0-10 МПа концентрация раствора по хлориду железа уменьшается на Сф=2,81... 1,33 мг/дм3 и пользуясь формулой (2), составляет 2,19.3,67 мг/дм3, то есть глина сорбирует на себя ионы FeQ3. С увеличе-
нием давления до Р=300 МПа наоборот, ионы железа достаточно интенсивно переходят из твердой компоненты глины в раствор. При давлениях Р=300...800 МПа вынос ионов железа из минеральной части глин прекращается, о чем свидетельствует нестационарный вид изменчивости Сф.
Выявленная закономерность свидетельствует о том, что исходный минерал монтмориллонит имеет дефектную структуру, в виде «вакантных» мест в октаэдрическом листе [31]. При взаимодействии твердой компоненты грунта с раствором FeQ3 ионы железа «занимают» эти «вакантные» места и нейтрализуют заряд минерала. Этот процесс реализуется в виде понижения энергетического потенциала на поверхности частиц и, как следствие, приводит к понижению адсорбционной активности бентонитовой глины.
Если говорить о каолините (показанном на рис. 4, б), то можно заметить, что при диапазоне давлений от Р=0 до 200 МПа концентрация раствора по хлориду железа возрастает. Это указывает на то, что твердая часть каолина выделяет ионы Fe+3 в раствор довольно интенсивно. Однако, с увеличением давления до Р=800 МПа, интенсивность поставки ионов железа в раствор из минеральной составляющей каолина уменьшается.
Структура исходной каолиновой глины, характеризуется меньшей дефектностью, чем бентонитовой, поэтому «удаленные» ионы железа из октаэдрического листа, при обработке глины давлением, первоначально насыщают адсорбционный, затем диффузный слои. Оставшаяся часть ионов железа поступает в поровый раствор, что повышает его концентрацию.
Ионы железа диффузного и адсорбционного слоев формируют дополнительные энергетические центры на поверхности частиц, что приводит к повышению энергетической активности каолина на 40 % и повышению адсорбционной способности.
Заключение
1. Адсорбционная активность глин по отношению к водяному пару возрастает при обработке их давлением.
2. При обработке глин давлением и при последующем насыщении их ионами железа в бентонитовой глине адсорбционная активность снижается в диапазоне Р= 0.150 МПа, при более высоких давлениях изменяется незакономерно. В каолине, наоборот, адсорбция возрастает до Р=200 МПа и снижается при давлении от 200 до 800 МПа.
3. Образцы бентонитовой глины, обработанные давлением Р=0...10 МПа, адсорбируют ионы FeQ3. С увеличением давления до Р=300 МПа наоборот, ионы железа достаточно интенсивно переходят из твердой компоненты глины в раствор. При давлениях Р=300-800 МПа вынос ионов железа из минеральной части глин прекращается, о чем свидетельствует нестационарный вид изменчивости.
У образцов каолиновой глины, обработанных давлением в диапазоне от 10 до 200 МПа, адсорбция ионов FeCb не наблюдается, минеральная часть, наоборот, интенсивно поставляет ионы Fe+3 в раствор. С увеличением давления до 800 МПа интенсивность поставки ионов железа в раствор из минеральной составляющей каолина снижается.
Список литературы
1. Болдырев В.В. Механомия и механическая активация твердых веществ // Успехи химии. 2006. Т. 75. № 3. С. 203-216. DOI: 101.1070/RC2006v075n03ABEH001205.
2. First-principle study of electronic structure of montmorillonite at high pressure / Zhi-Jie Fang [and others] // Modern Physics Letters. 2020. V. 34 (25). DOI: 10.1142/S0217984920502632.
3. Середин В.В., Ядзинская М.Р., Андрианов А.В. Классификация форм связанной воды в каолинитовых глинах // Вестник Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. № 6. C. 73-81
4. Galan E., Aparicio P., Gonzalez A. The effect of pressure on order/disorder in kaolinite under wet and dry conditions // Clays and clay Minerals. 2006. Vol. 54. №2. P. 230-239. DOI: 10.1346/CCMN.2006.0540208.
5. Пушкарева Г.И. Влияние температурной обработки брусита на его сорбционные свойства // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2000. №6. С. 90-93.
6. Кара-Сал Б.К., Сапелкина Т.В. Повышение адсорбционных свойств глинистых пород Тувы в зависимости от методов активации // Актуальные проблемы современной науки. 2012. №5. С. 158-162.
7. Sruthi P.L., Reddy P.H.P. Swelling and mineralogical characteristics of alkali-transformed kaolinitic clays // Applied Clay Science. 2019. Vol.183. P. 353-362. DOI: 10.1016/j.clay.2019.105353.
8. Мосталыгина Л.В., Чернова Е.А, Бухтояров О.И. Кислотная активация бентонитовой глины // Вестник ЮУрГУ. 2012. №24. С. 57-61.
9. La Iglesia A. Pressure induced disorbet in kaolinite // Clay Minerals. 1993. № 28. P.311-319.DOI: 10.1180 / claymin. 1993.028.2.11.
10. Pressure dependence of the electronic structure in kaolinite: a first-principles study / Zhi Jie Fang [and others] // Modern Physics Letters B. 2017. V. 31 (12). DOI: 10.1142/S0217984917501949.
11. Осипов В. И., Соколов В. H., Румянцева Н. А. Микроструктура глинистых пород. М.: Недра, 1989. 211 с.
12. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбция на глинистых минералах. Киев: Наук. думка, 1975. 351 с.
13. Середин В.В., Красильников П.А., Медведева Н.А. Изменение электрокинетического потенциала глинистых коллоидов в водной и угле-
водородной средах: научное издание // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2017. №.1. С.66-74.
14. Khankhasaeva S.Ts., Badmaeva S.V. Adsorption of methanyl yellow dye on fe-modified bentonite clay // ChemChemTech. 2022. Т. 65. № 5. С. 2329.
15. Effects of microstructure of clay minerals, montmorillonite, kaolinite and halloysite, on their benzene adsorption behaviors / Deng L. Applied [and others] // Clay Science. 2017. Vol. 143. Р. 184-191.
16. Комаров В.С. Адсорбционно-структурные, физико-химические и каталитические свойства глин Белоруссии. Минск: Наука и техника. 1970. 320 с.
17. Effects of microstructure of clay minerals, montmorillonite, kaolinite and halloysite, on their benzene adsorption behaviors / L. Deng [and others] // Applied Clay Science. 2017. V. 143. P. 184-191.
18. Effects of particle characteristics and consolidation pressure on the compaction of non-spherical particles minerals engineering / Y. He [and others] // Minerals Engineering. 2019. V. 137 - P. 241-249.
19. Chang Z., Chen X., Peng Y. The adsorption behavior of surfactants on mineral surfaces in the presence of electrolytes - a critical review // Minerals Engineering. 2018. V. 121. P. 66-76.
20. Cui J., Zhang Z., Han F. Effects of рН on the gel properties of montmorillonite, palygorskite and montmorillonite-palygorskite composite clay // Applied Clay Science. 2020. V. 190. 105543.
21. Влияние структуры бентонитовой глины, активированной давлением, на показатель адсорбции / В.В. Середин [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 11. С. 81-89.
22. Pressure dependence of the electronicstructure in kaolinite: a first-principles study / Z.-J. Fang [and others] // Modern Physics Letters B. 2017. V.31. No12. 1750194 (10).
23. Adsorption of Fe (III) ions on modified adsorbent: adsorption isotherms / E.J. Eyyubova [and others] // Azerbaijan Chemical Journal. 2022. № 4. С. 33-42.
24. Kostin A.V., Mostalygina L.V., Bukhtoyarov O.I. The mechanism of adsorption of zinc and cadmium ions onto bentonite clay // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2015. Т. 51. № 5. С. 773-778.
25. Xie Y., Zeng Z., Zhang B., Zhang Y., Tang S. Analysis and modeling of bound water adsorption by mixed clay based on adsorption theory // Arabian Journal of Geosciences. 2021. Т. 14. № 12.
26. Welch M.D., Montgomery W., Balan E., Lerch P. Insights into the high-pressure behavior of kaolinite from infrared spectroscopy and quantum-mechanical calculations // Physics and Chemistry of Minerals. 2012. V. 39. P. 143 - 151.
27. ПНД Ф 14.1:2:4.50-96. Количественный химический анализ вод.методика измерений массовой концентрации общего железа в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с суль-фосалициловой кислотой. методика допущена для целей государственного экологического контроля. М., 2011.
28. Changes of energy potential on clay particle surfaces at high pressures / V.V. Seredin [and others] // Aplied Clay Science. 2018. Vol. 155. P. 814. DOI: 10.1016/clay.2017.12.042.
29. Insights into the high-pressure behavior of kaolinite from infrared spectroscopy and quantum mechanical calculations / M.D. Welch, W. Montgomery, E. Balan, P. Lerch // Physics and Chemistry of Mine-rals, 2012. Vol. 39. Р. 143-151.
30. Алванян К.А., Андрианов А.В., Селезнева Ю.Н. Закономерности изменения гранулометрического состава бентонитовой глины Зырянского месторождения активированной давлением // Вестник Пермского университета. Сер. «Геология». 2020. Т. 19. No 4. С. 380-387.
31. Shahwan T., Erten H.N., Unugur S. A characterization study of some aspects of the adsorption of aqueous CO2+ ions on a natural bentonite clay // Journal of Colloid and Interface Science. 2006. Т. 300. № 2. С. 447-452.
Середин Валерий Викторович, д-р геол.-мин. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Пермь, Пермский государственный национальный исследовательский университет; Пермский национальный исследовательский политехнический университет; ООО «НИППППД «НеДрА»,
Джугинисов Максим Алексеевич, инж., maks150494@mail. ru, Россия, Пермь, ООО «НИППППД «НЕДРА»,
Шеина Ксения Валерьевна, инж., [email protected], Россия, Пермь, ООО «НИППППД «НЕДРА»
REGULARITIES OF CHANGES IN THE ADSORPTION PROPERTIES OF CLAYS ACTIVATED BY PRESSURE AND IRON IONS
V.V. Seredin, M.A. Dzhuginisov, K.V. Sheina
Changes in the adsorption properties of clayey soils under the influence of mechanical pressures and saturation with iron ions have not been fully studied. Therefore, in this paper, the regularities of water vapor adsorption by clay soils that have been treated with pressures and saturated with iron ions are considered, and the processes of adsorption and desorption of Fe3+ ions by bentonite and kaolin clays are also studied. The study of changes in the adsorption properties of clayey soils is necessary for understanding the processes occurring in soils under both natural and anthropogenic conditions, especially in the case of soil contamination. It was experimentally established that the adsorption capacity of clays in relation to water vapor increases with their pressure treatment. When treating clays with pressure and their subsequent saturation with iron ions in bentonite clay adsorption activity decreases in the range of 0-150 MPa, at higher pressures it changes irregularly. In kaolin, on
the contrary, adsorption increases at pressures up to 200 MPa and decreases at pressures from 200 to 800 MPa. Samples of bentonite clay treated at pressures up to 10 MPa adsorb FeCl3 ions. With increasing pressure up to 300 MPa, on the contrary, iron ions pass quite intensively from the solid clay component into solution. At pressures of 300-800 MPa, the removal of iron ions from the mineral part of clays stops, as evidenced by the nonstationary type of variability. The kaolin clay samples treated at pressures ranging from 10 to 200 MPa show no adsorption of FeCl3 ions, the mineral part, on the contrary, intensely supplies Fe+3 ions to the solution. With increasing pressure up to 800 MPa the intensity of supply of iron ions into the solution from the mineral component of kaolin decreases.
Key words: exchangeable cations, adsorption, sorption, desorption, moisture, pressure, bentonite, kaolinite, crystal lattice, clay.
Seredin Valery Viktorovich, dr. geol.-mineral sciences, professor, head of chair, [email protected] , Russia, Perm, Perm State National Research University; Perm National Research Polytechnic University; NIPPPD NEDRA LLC,
Dzhuginisov Maxim Alekseevich, eng., [email protected] , Russia, Perm, LLC "NIPPPD "NEDRA",
Sheina Ksenia Valeryevna, eng., k.shieina@,mail.ru , Russia, Perm, LLC "NIPPPD "NEDRA"
Reference
1. Boldyrev V.V. Mechanomy and mechanical activation of solids // Uspekhi khimii. 2006. Vol. 75. No. 3. pp. 203-216. DOI: 101.1070/RC2006v075n03ABEH001205.
2. The first principle study of the electronic structure of montmorillonite at high pressure / Zhi-Tse Fan [et al.] // Letters of modern Physics. 2020. Vol. 34 (25). DOI: 10.1142/S0217984920502632.
3. Seredin V.V., Yadzinskaya M.R., Andrianov A.V. Classification of bound water forms in kaolinite clays // Bulletin of the Tomsk Poly-technical University. Georesource engineering. 2021. vol. 332. No. 6. C. 73-81
4. Galan E., Aparicio P., Gonzalez A. Influence of pressure on the order/disorder in kaolinite in wet and dry conditions // Clays and clay minerals. 2006. Volume 54. No. 2. pp. 230-239. DOI: 10.1346/CCMN.2006.0540208.
5. Pushkareva G.I. Influence of temperature treatment of brucite on its sorption properties // Physico-technical problems of mineral development. 2000. No.6. pp. 90-93.
6. Kara-Sal B.K., Sapelkina T.V. Increasing the adsorption properties of clay rocks of Tuva depending on activation methods // Actual problems of modern science. 2012. No.5. pp. 158-162.
7. Shruti P.L., Reddy P.H.P. Swelling and mineralogical characteristics of kaolinite clays transformed by alkali // Applied science of clay. 2019. Volume 183. pp. 353-362. DOI: 10.1016/j.clay.2019.105353.
8. Mostalygina L.V., Chernova E.A., Bukhtoyarov O.I. Acid activation of bentonite clay // Bulletin of SUSU. 2012. No.24. pp. 57-61.
9. La Iglesia A. Violation of the structure of kaolinite caused by pressure // Clay mineral. 1993. No. 28. pp.311-319.DOI: 10.1180 / claymin. 1993.028.2.11.
10. Dependence of the electronic structure of kaolinite on pressure: a study of the first principles / Zhi Jie Fan [et al.] // Letters of modern physics B. 2017. V. 31 (12). DOI: 10.1142/S0217984917501949.
11. Osipov V. I., Sokolov V. H., Rumyantseva N. A. Microstructure by clay. M.: Nedra, 1989. 211 p.
12. Tarasevich Yu.I., Ovcharenko F.D. Adsorption on clay minerals. Kiev: Nauk. dumka, 1975. 351 p.
13. Seredin V.V., Krasilnikov P.A., Medvedeva N.A. Changes in the electrokinetic potential of clay colloids in aqueous and hydrocarbon media: scientific edition // Geoecology, engineering geology, hydrogeology, geocryology, 2017. No.1. pp.66-74.
14. Khankhasaeva S.Ts., Badmaeva S.V. Adsorption of methanyl yellow dye on iron-modified bentonite clay // Khimkhimteh. 2022. Vol. 65. No. 5. pp. 23-29.
15. The influence of the microstructure of clay minerals, montmorillonite, kaolinite and galloisite, on their adsorption properties of benzene / Dan L. App. [et al.] // Science of clay. 2017. Volume 143. pp. 184-191.
16. Komarov V.S. Adsorption-structural, physico-chemical and catalytic properties of clays of Belarus. Minsk: Science and Technology. 1970. 320 p.
17. The influence of the microstructure of clay minerals, montmorillonite, kaolinite and galloisite, on their adsorption properties of benzene / L. Dan [et al.] // Applied Science of clay. 2017. Vol. 143. pp. 184-191.
18. The influence of particle characteristics and seal pressure on the sealing of non-spherical particles minerals engineering / Yu. He [et al.] // Minerals Engineering. 2019. Vol. 137 - pp. 241-249.
19. Chang Z., Chen H., Peng Yu. Adsorption properties of surfactants on mineral surfaces in the presence of electrolytes - a critical review // Mineral engineering. 2018. Vol. 121. pp. 66-76.
20. Cui J., Zhang Z., Han F. The effect of pH on the gel-forming properties of montmorillonite, palygorskite and montmorillonite-palygorskite composite clay // Applied Science of clay. 2020. V. 190. 105543.
21. The influence of the structure of bentonite clay activated by pressure on the adsorption index / V.V. Seredin [et al.] // Izvestiya Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. 2022. Vol. 333. No. 11. pp. 81-89.
22. Dependence of the electronic structure of kaolinite on pressure: a study of the first principles / Z.-J. Fang [et al.] // Letters of modern Physics B. 2017. V.31. No12. 1750194 (10).
23. Adsorption of Fe (III) ions on modified Adsorbent: adsorption isotherms / E.J. Eyyubova [et al.] // Azerbaijan Chemical Journal. 2022. No. 4. pp. 33-42.
24. Kostin A.V., Mostalygina L.V., Bukhtoyarov O.I. Mechanism of adsorption of zinc and cadmium ions on bentonite clay // Protection of metals and physico-chemistry of surfaces. 2015. Vol. 51. No. 5. pp. 773-778.
25. Xie Yu., Zeng Z., Zhang B., Zhang Yu., Tang S. Analysis and modeling of adsorption of bound water by mixed clay based on the theory of adsorption // Arabic Journal of Earth Sciences. 2021. Vol. 14. No. 12.
26. Welch M.D., Montgomery W., Balan E., Lurch P. Understanding the behavior of kaolinite at high pressure using infrared spectroscopy and quantum mechanical calculations // Physics and Chemistry of minerals. 2012. Vol. 39. pp. 143-151.
27. MON F 14.1:2:4.50-96. Quantitative chemical analysis of waters.the method of measuring the mass concentration of total iron in drinking, surface and wastewater by photometric method with sulfosalicylic acid. The methodology is approved for the purposes of state environmental control. Moscow: 2011
28. Changes in the energy potential on the surface of clay particles at high pressures / V.V. Seredin [et al.] // Applied science of clay. 2018. Volume 155. pp. 8-14. DOI:10.1016/clay.2017.12.042.
29. Understanding the behavior of kaolinite at high pressure using infrared spectroscopy and quantum mechanical calculations / M.D. Welch, W. Montgomery, E. Balan, P. Lurch // Physics and Chemistry of Minerals, 2012. Volume 39. pp. 143-151.
30. Alvanyan K.A., Andrianov A.V., Selezneva Yu.N. Laws of changing the granu-lometric composition of bentonite clay of the Zyransky deposit activated by pressure // Bulletin of the Perm University. The series "Geology". 2020. Vol. 19. No. 4. pp. 380-387.
31. Shakhvan T., Erten H.N., Unugur S. Investigation of characteristics of some aspects of adsorption of aqueous CO2+ ions on natural bentonite clay // Journal of Colloid and Interface Science. 2006. Vol. 300. No. 2. pp. 447-452.
УДК 624.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС «ОСНОВАНИЕ - ФУНДАМЕНТ -ПОДЗЕМНАЯ ЧАСТЬ» ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СПОРТИВНО-КОНЦЕРТНОГО КОМПЛЕКСА
Д.Л. Негурица, Г.В. Алексеев, Е.А. Медведев, А.А. Терешин
Исследуются геомеханические процессы при строительстве объекта повышенного уровня ответственности - спортивно-концертного комплекса с подземной частью - в сложных горно-геологических условиях на свайном основании, выполняемом с целью обеспечения нормативных требований по ограничению абсолютных и относительных деформаций основания. Задача работы направлена на оценку влияния строительства на окружающий грунтово-породный массив и попадающие в зону влияния сооружения.
Ключевые слова: научно-техническое сопровождение строительства, грунто-во-породный массив, напряженно-деформированное состояние, математическое моделирование.
В процессе проектирования, строительства проведения научно-технического сопровождения строительства при строительстве уникальных зданий и сооружений результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «Основание - фундамент - подземная часть» спортивно-концертного комплекса с подземной частью используются для определения зоны влияния нового строительства, проектирования и корректировки проектных решений, контроля хода строительства и мониторинга деформационных процессов в процессе научно-технического сопровождения строительства [1 - 4].
Работы по численному моделированию НДС являются составными частями комплекса работ по научно-техническому сопровождению проектирования объекта, учитывая, что он относится к повышенному уровню ответственности в соответствии с ГОСТ 27751-2014 [5 - 7].
Многофункциональный спортивно-зрелищный комплекс предназначен для проведения соревнований, в том числе международного уровня,
