Исследование минерального состава глин Ангольских месторождений

УДК 661.184.23

Ж. А. Сапронова, М. Ж. Гомес, И. Г. Шайхиев ИССЛЕДОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ГЛИН АНГОЛЬСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Ключевые слова: природные глины, физико-химические свойства, минеральный состав.

Проведены рентгенофазовый и дифференциально-термический анализы, установлен минеральный состав природных глин Ангольских месторождений. Установлено присутствие в глинах минералов каолинитовой и мон-тмориллонитовой групп. Сделано заключение о возможности использования исследуемых глин для очистки сточных вод.

Keywords: natural clays, physico-chemical properties, the mineral composition.

Conducted X-ray and differential thermal analysis, set the mineral composition of natural clays Angolan fields. Established presence in the clay mineral kaolinite and montmorillonite group. The conclusion of the study the possibility of using clay for wastewater treatment.

В продолжение работ по изучению возможностей использования природных глин месторождений Катети и Катока, являющихся отходами добычи алмазов [1, 2], исследовался минеральный состав последних с помощью рентгенофазового анализа на дифрактометре марки «ДРОН - 2,0» с Сига - излучением (Хкф - 1,542 А) и никелевом фильтре по методике, приведенной в условиях проведения анализа; нач.угол - 8.000; кон. угол - 80.000; шаг - 0,020; экспозиция - 1,0 и скорость - 16. Анализу подвергались высушенные и измельченные образцы глин Ангольских месторождений Катока и Катети.

Как показали результаты рентгенофазового анализа РФА (рис. 1 и 2), минералогический состав глины месторождения Катока представлен сапонитом (группа монтмориллонита), каолинитом, илли-том, железистыми минералами, кварцем; в не отмытой глине фиксируется также гипс (рис. 1, а).

В глине месторождения Катети (рис. 2) обнаружены сапонит, иллит, каолинит, кварц, полевые шпаты типа анортит и ортоклаз, а также незначительные количества графита и кальцита (рис. 2б) [3].

Результаты рентгенофазового анализа (РФА) образцов глин месторождений Катока и Катети позволяют сделать вывод, что последние являются полиминеральными.

Как видим, состав глины месторождения Катети представлен более широкой гаммой минеральных веществ, чем глины месторождении Катока. Химические формулы минералов и их присутствие в глинах указаны в таблице 1.

Как видно из данных, представленных в таблице 1, в состав глин месторождений Катока и Катети кроме глинистых минералов, входят примеси -кальцит, графит и полевые шпаты; кварц присутствует в обеих пробах, т.е. обе глины являются запе-соченными.

Обе глины месторождения Катети можно отнести к группе каолинита монтмориллонитовых. Поскольку, согласно данным РФА, глины обладают сходным минеральным составом, то, предположительно они должны проявлять близкие физико-химические свойства.

Для уточнения результатов анализов РФА глин Ангольских месторождений был использован дифференциально-термический анализ (ДТА), который

используется для исследования свойств минералов и изменений, протекающих в них при нагревании. По графикам термограмм, получаемым в ходе ДТА, которые зависят от химического состава исследуемых проб, можно определить химический состав и структуру исследуемого вещества. В ходе ДТА фиксируется изменение температуры, массы образца, скорости изменения массы и изменения тепловых эффектов [4].

и

/ /VI 8 *

J V 1 « А

\ ч V L, 1-А \ \ 1 J S fi 1

o<V

4 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46

Рис. 1 - Рентгенограммы исходной глины месторождения Катока (а) и отмытой (б), обозначения: о- сапонит, - гипс,  - кварц, 0 - каолинит, А -иллит, • - кальцит

Физико-химические явления, протекающие в глинах при нагревании, представлены на рисунке 3.

Анализ осуществляли на дериватографе марки «р-1500». Скорость нагрева образцов составляла 10 °С; 1°кон- 1000 °С. Эталон сравнения - А1203; тигель алундовый; 1°нач - 20 °С.

б

и

4 У - и о

к о 8 5 т. 4 н 1 8 = С < •

-- — 1.. VI £1 V -- — •

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 3 5 3 6 3 7 38

Ж

71

м

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 2 6 27 2 8 29 3 0 31 32 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 39 '

Рис. 2 - Рентгенограммы исходной (а) отмытой (б) глин месторождений Катети: о- сапонит, А -иллит, 0 - каолинит,  - кварц, • - кальцит,  -анорит,  - ортоклаз, ♦ - графит

Таблица 1 - Химические формулы минеральных веществ и их присутствие в пробах глин

Названия Месторождения

Химическая формула глин

Катока Катети

Группа монтмориллонита Сапонит-Сао.25(М§,Ре)з(А1, В^О^ОН^-п^О Иллит - КАЦ^з АЮ1о)-(ОН)2 + + + +

Группа Каолинита - АЦ8цО10|(ОН)8 + +

Железосодержащие минералы; Акаганеит - Бе2О3-Н2О +

Группа Карбонатов Кальцит - СаСО3 +

Кварц - $Ю2 + +

Гипс - СаЗО4 + -

Графит - - +

Группа полевых шпатов

Анортит - СаА12812О8 - +

Ортоклаз - КаШ13О8 - +

В ходе разложения каолинита образуется мета-каолинит, который имеет неупорядоченную, близкую к аморфной структуру:

А12О3-28Ю2-2Н2О

Считается, что процесс удаления воды связан с перемещением протонов Н* и образованием особых ионов гидроксила, находящихся в активном состоянии - (ОН-). Схематично вышеназванное обстоятельство можно представить следующим образом:

ОН- + ОН"^ (ОН)"*+(ОН)"* ^ Н2О + О2

Дегидратация

Увеличение|межплоско-стных расстояний примерно на 0,01-0,03 нм

Появление дефектов в структуре кристаллов

Появление пустот и активных центров

Рис. 3 - Явления, протекающие в глинах при нагревании [5]

Свойства метакаолинита можно проиллюстрировать схемой, приведенной на рисунке 4.

Метакаолинит

Слоистость строения

V

Нагревание до 100 °С приводит к перестройке кристаллической

"V"

Алюмогидроксил кислородные слои из

_У_

Связи (-БьО-А1-) не разрываются, в метакаолините их число возрастает

Происходит превращение

(АШ^-КАЮб)9-

Образование связей (А1-О-А1 и БьС)^) взамен О-А1-

Появление изолированных тетраэдров муллита

Рис. 4 - Свойства метакаолинита

Изменения, происходящие с глинистыми минералами, указаны в таблице 2.

На рисунке 5 представлены следующие графики;

а) график ДТА, показывающий, на каких участках происходит поглощение или выделение теплоты;

б) дифференциально-термографическая кривая (ДТК), показывающая, в каком интервале температур происходит максимальное падение массы.

Эндотермические эффекты удаления свободной и адсорбированной воды фиксируются для глины месторождения Катока при температуре 116,8°С и 135,9°С, а для глины месторождения Катети -99,2°С.

Эндотермические эффекты, характеризующие выделение конституционной воды в интервале 200 -400 °С, отмечены для глины месторождения Катока при температуре 285,9 и 398,9°С; а для глины месторождения Катети - при температуре 285,7°С.

Удалению следов конституционной воды в интервале 400 - 600°С соответствуют эндотермические эффекты: при температуре 507,7°С и 496,6°С для глин месторождений Катока и Катети, соответственно.

а

б

Таблица 2 - Изменения глинистых минералов при нагревании [6]

Минерал, Температура, °с

химическая 100-200 200-400 400-600 600-850 850-1000

формула

Каолинит Удале- Выделе- Выделе- Удаление Удале-

Al2O3-2SiO2- ние ние ние воды, об- ние

2H2O свобод- консти- консти- разование следов

ной туцион- туцион- метака- гидро-

воды ной воды ной воды линита ксид-

с разру- АЬ03-281 ио-

шением О2, нов

кристал- искаже- и пере-

лизаци- ние коор- стройка

онной динации решетки

атомов иногда с

алюми- образо-

ния ванием

муллита

Мо нтморилло - Удале- Выделе- Выделе- Удаление Удале-

нит ние сво- ние ние межпа- ние коор-

Al2O3-4SiO2-4H бодной консти- консти- кетной диниро-

2O адсорби- туцион- туцион- воды ванных

рован- ной воды ной воды гидро-

ной ксид-

воды ионов,

пере-

стройка

Альбит Удале- Взаимо-

Na[AlSi3O8] ние сво- - - пре вра- -

бодной щение

адсорби- а- и р -

рован- модифи-

ной ка- ций

воды

Мусковит Удале- Удале- Удале- Выделе-

K2-3Al2O3-6Si ние сво- ние кон- ние кон- ние кон- -

O2-2H2O бодной ституци- ституци- ституци-

воды онной онной онной

воды воды воды

Микроклин Выделе-

ние ад- - - - -

K2O-Al2O3-6Si сорбиро-

O2 ванной и

свобод-

ной

воды

Иллит Удале- Удале- Удале- Разреше-

K4-Al2[(Al,Si)4 ние сво- ние ние - ния

Oic]-(OH)2- бодной консти- консти- кристал-

4H2O адсорби- туцион- туцион- лической

рован- ной воды ной воды решетки

ной

воды

В интервале температур 600 - 850°С отмечены эндотермические эффекты при температурах 665,4; 694,8 и 760,0°С для глины месторождения Катока и при температурах 662,9 и 750,5°С - для глины месторождения Катети.

Названные эффекты, по всей видимости, можно связать с процессом удаления воды в виде координированных гидроксид-ионов и искажением координации атомов алюминия (каолинит); удалением межпакетной воды в монтмориллоните.

Рис. 5 — Кривые БТО (а) и БТЛ (б) для глины месторождения Катока

В интервале температур от 850 до 1000°С происходят процессы удаления следов гидроксид-ионов и перестройки решетки для каолинита и монтмориллонита, разрушения кристаллической решетки (ил-лит). Соответствующие слабовыраженные эндотермические эффекты зафиксированы при температуре 881,7°С для глины месторождения Катока и при температурах 869,9 °С и 898,4°С - для глины месторождения Катети.

Таким образом, результаты ДТА подтвердили минеральный состав глин и доказали, что исследуемые глины являются полиминеральными.

Литература

1. Ж.А.Сапронова, М.Ж. Гомес, К.И. Шайхиева, В.А. Юрченко, Вестник Казанского технологического университета, 17, 22, 84-86 (2014).

2. Ж.А. Сапронова, В.С. Лесовик, М.Ж. Гомес, К.И. Шайхиева, Вестник технологического университета, 18, 1, 91-93 (2015).

3. С.В. Свергузова, М.Ж. Гомес, А.В. Шамшуров, В.В. Тарасов. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 4, 164-167 (2014).

4. В.Б. Алесковский, В.В. Бардин, М.И. Булатов Физико-химические методы анализа. Практическое руководство Химия, Ленинград, 1988. 376 с.

5. Н.В. Кельцев. Основы адсорбционной техники Химия, Москва, 1976. 511 с.

6. А.Ю. Годемчук, А.П. Ильин, Химия и технология воды, 3, 287-297(2004).

а

б

© Ж. А. Сапронова - к.т.н., доц. каф. прикладной экологии БГТУ им. В.Г. Шухова, М. Ж. Гомес - аспирант той же кафедры, И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru.

© Zh. A. Sapronova - Ph.D., Associate Professor, Department of Applied Ecology of Belgorod State Technology Univercity V.G. Shukhov name, M. J. Gomez - graduate student of Applied Ecology of the same university, I. G. Shaikhiev - PhD, Head. the Department of Environmental Engineering KNRTU, ildars@inbox.ru.