Физико-химические характеристики природных глин ангольских месторождений

УДК 666.327

Ж. А. Сапронова, М. Ж. Гомес, К. И. Шайхиева, В. А. Юрченко

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИРОДНЫХ ГЛИН АНГОЛЬСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Ключевые слова: природные глины, ангольские месторождения, состав, физико-химические характеристики.

В работе представлены результаты исследования химического состава и некоторых физико-химических характеристик природных глин ангольских месторождений Катети и Катока. Показано, что основным компонентом глин является SiO2. Найдено, что рассматриваемые глины имеют высокоразвитую поверхность, что позволяет их использование в качестве сорбционных и ионообменных материалов.

Keywords: natural clays, Angolan field, composition, physical and chemical characteristics.

The paper presents the results of a study of the chemical composition and some physical and chemical characteristics of natural clay of Angolan fields leg and an ice rink. It is shown that a main component of clay is SiO2. It was found that considered clays have high surface area, which allows their usage as sorption and ion exchange materials.

Загрязненность водных объектов в мировом масштабе следует рассматривать как одно из последствий усиления негативного антропогенного воздействия на среду обитания. Одними из опаснейших токсикантов, поступающих в водные объекты со сточными водами, являются тяжелые металлы. Источниками образования

металлсодержащих сточных вод являются предприятия машиностроения, черной и цветной металлургии, электро- и радиотехнические предприятия, гальванические цеха.

В настоящее время для извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод используют реагентные, ионообменные, сорбционные способы. Для этого применяют химические реагенты и традиционные сорбционные материалы -активированные угли различных марок.

В то же время весьма перспективным представляется использование сорбционных материалов на базе местного природного сырья, например, природных глин [1-9] и отходов промышленного и сельскохозяйственного производства [10-13].

Важной характеристикой природных глин является их сорбционная и ионообменная емкость, а также реагентно-коллоидные свойства. При этом актуальным является поиск эффективного способа их активации с целью улучшения физико-химических показателей.

В настоящей работе были использованы образцы глин месторождений Катети и Катока в Анголе. Выбор месторождений обусловлен тем, что последние расположены в промышленно развитом районе с развитой сетью дорог, т.к. в этих районах осуществляется разработка алмазных

месторождений, а глина является отходом производства. Данное обстоятельство значительно облегчает и удешевляет процесс ее добычи.

Результаты рентгенофазового анализа (рис. 1 и табл. 1) позволяют сделать вывод, что исследуемые глины имеют сходный минеральный

А

б

Рис. 1 - Рентгенограммы глин месторождения Катети (а) и Катока (б):

X - мусковит, ^ - байерит, О- калиевый полевой шпат, палыгорскит, В - плагиоклаз, А-накрит,  -нонтрит, ф - диккит, каолинит, ф фатерит, "§" - кварц, О - ортоклаз, О - монтмориллонит,  -гидраргиллит, Д- монотермит, гидрат глинозема, Щ - галлуазит

состав, являются полиминеральными, глинистая составляющая представлена такими минералами, как каолинит и его полиморфные модификации -диккит и накрит, монтмориллонит, нонтронит, мусковит, фатерит в кальциевой и натриевой формах, присутствует незначительное количество иллитовых минералов. Содержание глинистой составляющей в исследуемых глинах составляет не менее 93 %.

Таблица 1 — Содержание минералов в глинах, %

Минерал

Месторожд. кварц магнетит альбит мусковит микроклин гипс каолинит иллит

Катети 21,2 1,0 18,1 15,4 18,1 4,7 7,6 13,9

Катока 8,5 1,0 15,0 26,5 21,9 10,1 16,3 -

С помощью энергодисперсионных спектров (рис. 2 а, б) в обеих глинах были обнаружены примеси таких элементов, как сера, хром, титан.

а б

Рис. 3 - Результаты дифференциально-термического анализа глин месторождений Катети

Таблица 2 — Оксидный состав глин

Месторожд. оксиды

8Ю2 М2О3 Ре2О3 СаО МвО К2О тю2 Ш2О

Катети 65,3 19,5 0,55 - 0,2 0,45 0,68 1,58

Катока 55,3 26,7 0,75 0,55 0,17 - 0,98 0,20

Результаты анализа позволяет сделать вывод, что обе глины содержать значительные количества оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, что должно обусловливать их химические и ионообменные свойства.

а

б

Рис. 2 — Энергодисперсионные спектры глин месторождений Катети

Дифференцияально-термический анализ рассматриваемых глин (рис. 3 а и 3б) позволил выявить следующие эндотермические эффекты:

• 116,8 °С и 135,9 °С - удаление свободной и адсорбированной воды;

• 200 - 400 °С - выделение конституционной воды;

• 850 - 1000 °С - удаления следов гидроксид-ионов и перестройки и разрушения кристаллической решетки (иллит, монтмориллонит).

Анализ оксидного состава глин представлен в табл. 2.

На микрофотографиях поверхности глин (рис. 4а и 4б) хорошо просматриваются выступы, впадины, поры и другие дефекты, что свидетельствует о наличии высокоразвитой поверхности. Хорошо видна сложная высокоразвитая текстура поверхности.

а б

Рис. 4 — Микрофотографии глин Катети

По фракционному составу обе глины являются тонкодисперсными (табл. 3), чему соответствует высокое значение их удельной поверхности ^уд), определенное методом низкотемпературной адсорбции азота с помощью автоматизированной сорбционной установки TriStar II 3020 производства Micrometritics (США). 8уд глины Катети составляет 19,2 м2/г, глины Катока -23,2 м2/г. Исследования показали, что обе глины являются малопористыми с общим объемом пор 0,007 см3/г и 0,005 см3/г для глин месторождений Катети и Катока, соответственно.

Таким образом, проведенный химический анализ и некоторые физико-химические показатели рассматриваемых глин позволяют предположить потенциальную возможность использования последних в качестве сорбционных материалов и ионообменников.

Таблица 3 - Дисперсный состав глин

Ячейки, мм 1,5 1,0 0,63 0,315 0,25 0,1 0,08 0,063 <0,063

Катети, % 16,2 9,0 8,0 13,5 3,0 10,4 1,8 1,6 35,0

Катока, % 12,5 8,0 6,0 10,4 2,8 9,9 1,5 1,2 30,0

Литература

1. Тарасевич Ю. И. Природные сорбенты в процессах очистки воды / Ю. И. Тарасевич. - Киев:Наукова думка, 1981. - 208 с.

2. Khan S. U. Interaction of Cd(II) with acid- and base-saturated montmorillonites / S. U. Khan, O. P Bansal, P. Nandan // Indian J. Chem. - 1980. - vol. A19. - № 8. - P. 800-802.

3. Weiss Z. Sodium-cadmium and sodium-zink exchangeability in montmorillonites / Z. Weiss [and ets.] // Phys. and Chem. Miner. - 1999. - vol. 25. - № 7. - P. 534540.

4. Liu A. Adsorption/desorption in a system consisting of humic acids, heavy metals and clay minerals / A. Liu, R. D. J. Gonzaler // Colloid and Interface Sci. - 1999. - vol. 218. - № 1. - P. 225-232.

5. Di Toro D. M. Effects of nonreversibility, particle concentration and ionic strength on heavy metal sorption / D. M. Di Toro [and ets.] // Environ. Sci. and Technol. -1986. - vol. 20. - № 1. - P. 55-61.

6. Fan Ming. Modeling Pb sorption to microporous amorphous oxides as discrete particles and coatings / Fan Ming [and ets.] // J. Colloid. and Interface Sci. - 2005. -vol. 281. - № 1. - P. 39-48.

7. Поляков В. Е. Исследование природы обменных центров монтмориллонита по данным микрокалориметрических и ионообменных измерений /

B. Е. Поляков, И. Г. Полякова, Ю. Д. Тарасевич // Коллоидный журнал. - 1987. - т. 49. - № 2. - С. 361365.

8. Singh R. P. Sodium-zink exchange equilibria on montmorillonite / R. P. Singh, S. K. Sakona // Colloids and Surfaces. - 1986. - vol. 17. - № 1. - P. 123-130.

9. Weng Guo-jian. Исследование процесса очистки сточных вод, содержащих хром, с использованием монтмориллонита / Weng Guo-jian [and ets.] // J. Fuzhou Univ. Natur. Sci. Ed. - 2003. - vol. 31. - № 1. - C. 116119.

10. Сапронова Ж.А., Шайхиев И.Г., Сапронов Е.В. Возможные направления использования твердого отхода электросталеплавильного производства - пыли электродуговых сталеплавильных печей. Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 6. С. 199-202.

11. Сакалова Г.В., Свергузова С.В., Мальованный М.С. Эффективность очистки сточных вод гальванического производства адсорбционным методом. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 4. С. 153-156.

12. Порожнюк Л.А., Шайхиев И.Г., Ипанов Д.Ю., Новикова Е.В. Адсорбционные свойства пыли электросталеплавильного производства. Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 7.

C. 92-95.

13. Степанова С.В., Шайхиев И.Г. Очистка модельных стоков, содержащих ионы тяжелых металлов, шелухой пшеницы. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. № 6. С. 168-171.

© Ж. А. Сапронова - к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru; М. Ж. Гомес - аспирант каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова; К. И. Шайхиева - студентка кафедры Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета; В. А. Юрченко - д-р техн. наук, профессор зав. кафедрой безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии, Харьковский национальный университет строительства и архитектуры

© Zh. A. Sapronova - Can. Sc. techn, associate professor of Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, pe@intbel.ru; M. J. Gomes - graduated student of the same cathedra of same university; K. I Shaykhieva - student of Kazan National Research Technological University engineering ecology cathedra; V. A. Yurchenko - Dr.Sc.techn, professor, head of life safety and engineering ecology cathedra of Kharkov National University of construction and architecture.