Приложение метода ИК-Фурье спектрометрии к исследованию солевых отходов

УДК 543.421/.424

О. Е. Нисина, С. Г. Козлов, М. А. Куликов,

С. Г. Худяков

ПРИЛОЖЕНИЕ МЕТОДА ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОМЕТРИИ

К ИССЛЕДОВАНИЮ СОЛЕВЫХ ОТХОДОВ

Ключевые слова: ИК-Фурье спектрометрия, шлам содового производства, галитовый отвал, карьерная соль, сильвинит, волновые числа.

Показано применение метода ИК-Фурье спектрометрии для исследования солевых отходов производств кальцинированной соды и хлорида калия. Выделены и интерпретированы основные характеристические частоты спектров, проведено соотнесение полученных данных с литературными источниками. Полученные результаты могут быть использованы для организации аналитического контроля отходов производства кальцинированной соды и хлорида калия.

Keywords: IR Fourier spectrometry, soda production slurry, halite dump, quarry salt, sylvinite, wave numbers.

The application of the method of IR Fourier spectrometry for the study of salt waste in the production of soda ash and potassium chloride is shown. The main characteristic frequencies of the spectra are identified and interpreted, and the obtained data are compared with the literature sources. The obtained results can he used for the organization of analytical control of waste from the production of soda ash and potassium chloride.

В настоящее время для исследования состава и свойств веществ используется большой набор инструментальных методов, таких как масс-спектрометрия, оптические методы, спектроскопия ЯМР и другие. Среди оптических методов весьма востребован метод ИК Фурье спектрометрии. Благодаря своей экономичности, обеспечивается возможность анализировать малые количества проб, а имеющиеся литературные источники позволяют соотнести полученные полосы поглощения и идентифицировать неизвестное вещество. Метод универсален и позволяет исследовать как органические, так и неорганические вещества [1-3].

Целью представленной работы является приложение метода ИК Фурье спектрометрии для исследования состава солевых отходов промышленных предприятий г. Березники. В качестве объектов исследования выбраны шлам со шламохранилища «белое море» производства кальцинированной соды АО «БСЗ», карьерная соль и галитовый отвал производства хлорида калия галургическим способом ПАО «Уралкалий». Образцы галитового отвала получены с сильвинитовой обогатительной фабрики СКРУ-1, образцы карьерной соли - с фабрики БКПРУ-1.

По внешнему виду шлам производства кальцинированной соды - твердая серо-белая не растворимая в воде масса, содержащая в качестве основного компонента карбонат кальция [4]. Направлениями использования данного отхода являются дорожное строительство, рекультивация полигонов ТБО, получение мелиоранта и ряд других [5-7].

Основным компонентом галитового отвала и карьерной соли является хлорид натрия с примесями других солей [8]. Они могут быть использованы в качестве источника хлорида натрия для получения технической соли, а также в качестве сырья в производстве кальцинированной соды [9, 10].

На рисунке 1 приведен ИК спектр образца отхода содового производства, волновые числа, отвечающие полосам поглощения, представлены в таблице

1. Также в таблице 1 приведены волновые числа спектра минерала Кальцит из базы Информационно-поисковой системы по ИК спектроскопии 7АШ™ версии 1,0 и минерала Арагонит из [11]. Регистрация ИК спектров проводилась на ИК Фурье спектрометре ФСМ 1201 в таблетках с КВг, интервал волновых чисел составил 400-4000 см-1.

Рис. 1 — ИК спектр отхода содового производства

Таблица 1 тров

Характеристические частоты спек-

Образец V1 V2 V3 V4 V5 V6

Шлам 712 874 1446 1799 2516 3442

Кальцит 709 872 1421 1798 2508 3444

Арагонит 712 858 1475 - - -

Данные таблицы 1 показывают, что волновые числа в спектре шлама имеют близкие значения волновым числам минералов Кальцит и Арагонит. Полоса 874 см-1 характеризует асимметричные, полоса 712 см-1 - симметричные деформационные колебания, а полоса 1446 см-1 - валентные асимметричные колебания связей в карбонатной группе. Данная полоса в спектре шлама занимает среднее положение между аналогичными полосами в спектрах Кальцита и Арагонита, что может свидетельствовать о влиянии примесей на колебания в карбонатной группе.

Кроме основных полос, в спектре шлама наблюдается слабая полоса 1626 см-1, которую можно отнести к деформационным колебаниям связей в молекулах воды. Сильнее выражена и полоса в области 3400 - 3500 см-1, свидетельствующая о возможном присутствии в пробе гидроксидов, поскольку именно в этой области проявляются валентные колебания связи О-Н. Слабовыраженные полосы 1167, 2365, 2856, 2876 и 2926 см-1 могут быть отнесены к поглощению примесных соединений, например силикатов и других. Однако их малая интенсивность затрудняет интерпретацию.

ИК спектры образцов карьерной соли и галито-вого отвала галургической фабрики представлены на рисунке 2. Волновые числа, отвечающие полосам поглощения, представлены в таблице 2. Для облегчения интерпретации характеристических полос в спектрах карьерной соли и галитового отвала приведены данные по ИК спектру сильвинита.

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Рис. 2 - ИК спектры сильвинита

Таблица 2 - Характеристические частоты спектров

я <а

а ю О > <ч > Г^) > > ш > > > ос > > с > > <ч >

Сильвинит

т ЧО 1 1121 1153 1 1633 2336 2361 2855 2926 3438

Галитовый отвал о о ЧО с^ ЧО ЧО 00 00 1118 1150 1439 1623 2340 2361 2855 2926 3417

Карьерная соль

о ЧО с^ ЧО ЧО 00 1118 1146 1435 1623 2340 2361 2856 2922 3417

Анализ рис. 2 и данных таблицы 2 показывает, что характер полос поглощения и их положение в частотном диапазоне практически совпадают. Это свидетельствует о том, что этим полосам отвечает

поглощение одного и того же вещества, присутствующего во всех образцах. Известно [2], что поглощение хлорида натрия - основного компонента галитового отвала, карьерной соли и сильвинита -проявляется в дальней ИК области при 366 см-1. Также в дальней ИК области проявляется поглощение и хлорида калия (281 см-1). Поэтому их поглощение не проявляется в исследуемом диапазоне и не влияет на характер спектральных полос.

Минералогический состав сильвинита показывает, что кроме хлоридов калия и натрия в состав руды входят и другие соли, такие как сульфаты кальция и магния, а также нерастворимый остаток, представленный, в основном, глинистыми породами [12,13]. В процессе галургической переработки сильвинита соли с высокой растворимостью (хлорид калия, сульфат магния) переходят в раствор, а хлорид натрия, сульфат кальция и нерастворимый остаток остаются в твердой фазе. Присутствие в сильвините сульфата кальция позволило предложить провести сравнительный анализ полученных спектров со спектром сульфата кальция. Сравнение проводили с данными Информационно-поисковой системы по ИК спектроскопии ZAIRГM версии 1,0 и [3].

В результате сравнительного анализа обнаружена схожесть спектров исследуемых образцов со спектром сульфата кальция. Во всех случаях проявляются характеристические полосы, отвечающие колебаниям атомов в сульфат-ионе в диапазонах 600-680 см-1 и 1100-1200 см-1. Также обнаружено отсутствие расщепления полосы в области 600 см-1. Это свидетельствует о том, что сульфат кальция, как в карьерной соли, так и в галитовом отвале находится в виде дигидрата [3]. Наличие в образцах гидрат-ной влаги подтверждается полосами 1623 см-1 (симметричные и асимметричные колебания ОН-групп) и 3417 см-1 (деформационные колебания молекул воды). В ИК спектре сильвинита также присутствуют полосы, отвечающие колебаниям атомов в сульфат-ионах, но их интенсивность невелика. Это может быть связано с малым содержанием сульфата кальция в образце руды, использованной для испытаний.

Вместе с тем, в спектрах исследуемых образцов присутствуют полосы, отсутствующие в спектре сульфата кальция. Так, полосы 1435 (1439) см-1 и 877 (878) см-1 с большой долей вероятности можно отнести к колебаниям карбонатной группы [11]. Труднее однозначно интерпретировать полосы 2340, 2361, 2855 (2856), 2922 (2926) см-1, поскольку они могут отвечать колебаниям сложных минералов глинистой природы, присутствующих в сильвини-товой руде и затем перешедших в солевые отходы.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в ИК-спектре шлама содового производства присутствуют полосы, в основном характерные для карбоната кальция. В ИК-спектрах сильвинита и солевых отходов калийного производства наиболее выражены полосы, отвечающие сульфату кальция, находящемуся в виде двухводного кристаллогидрата. Полученные результаты могут быть использованы для разработки методик аналитического контроля солевых отходов содового и калийного производства.

Литература

1. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. Мир, ООО «Издательство АСТ», Москва, 2003. 683 с.

2. Nakamoto K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds: Part A: Theory and Applications in Inorganic Chemistry. John Wiley & Sons, Inc., 2009. 419 р.

3. Куликов М.А., Козлов С.Г., Середкина О.Р. Применение ИК-Фурье спектроскопии для анализа солеотложе-ний производства хлорида калия // Научно-технический вестник Поволжья, 2015, № 3.

4. Крепышева И.В., Рудакова Л.В., Козлов С.Г. Физико-химические и токсикологические свойства шлама содового производства // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2015, № 1.

5. Шатов А.А., Кутырев А.С., Бадертдинов Р.Н. Некоторые пути утилизации отходов содового производства // Башкирский экологический вестник, 2013, № 3-4.

6. Козлов С.Г., Вязовикова И.В., Черный С.А., Крепышева И.В. Использование отходов содового производства в

дорожном строительстве // Фундаментальные исследования. Технические науки, 2013, № 10.

7. Манойло Е.В., Манойло Ю.А., Моисеев В.Ф. Применение отходов содового производства // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий, 2010, № 6/6 (48).

8. Белов В. Н., Соколов А.В. Добыча и переработка калийных солей. Химия, Ленинград, 1971. 320 с.

9. Технология получения технического хлористого натрия из галитовых хвостов / Х. Б. Рахматов [и др.] // Молодой ученый, 2015, №19.

10. Крашенинников С.А. Технология соды. Химия, Москва, 1988. 304 с.

11. Коровкин М.В. Инфракрасная спектроскопия карбонатных пород. Томск, Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 80 с.

12. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей. ГИ УрО РАН, Пермь, 2001. 429 с.

13. Состояние и перспективы технологической минералогии калийных руд / Н.Н. Тетерина [и др.] // Сборник научных статей к 30-летию ОАО «Галургия». Пермь, 2002.

© О. Е. Нисина - старший преподаватель кафедры «Химическая технология и экология» Березниковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета, o.nisina@mail.ru; С. Г. Козлов - канд. техн. наук, доцент кафедры «Химическая технология и экология» Березниковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета, xt@bf.pstu.ru; М. А. Куликов - канд. хим. наук, доцент, зав. кафедрой «Химическая технология и экология» Березниковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета, kulikov.74@list.ru; С. Г. Худяков - студент Березниковского филиала Пермского национального исследовательского политехнического университета, xt@bf.pstu.ru.

© O. E. Nisina - Senior Lecturer of the Department «Chemical Technology and Ecology» Berezniki branch of the Perm National Research Polytechnic University, xt@bf.pstu.ru; S. G. Kozlov - Associate Professor of the Department «Chemical Technology and Ecology» Berezniki branch of the Perm National Research Polytechnic University, xt@bf.pstu.ru; M. A. Kulikov - Associate Professor, Head of the «Chemical technology and ecology» department of Berezniki branch of the Perm National Research Polytechnic University, kulikov.74@list.ru; S. G. Khudyakov - Student of the Berezniki branch of the Perm National Research Polytechnic University, xt@bf.pstu.ru.