Влияние растворимых натриевых солей на структурообразование глинистых частиц сырья Шеланговского и Ключищенского месторождений

Е. Н. Филиппович, А. И. Хацринов, А. В. Скворцов,

А. З. Сулейманова, Л. И. Зарипова

ВЛИЯНИЕ РАСТВОРИМЫХ НАТРИЕВЫХ СОЛЕЙ НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ГЛИНИСТЫХ ЧАСТИЦ СЫРЬЯ ШЕЛАНГОВСКОГО И КЛЮЧИЩЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Ключевые слова: фотоседиментация, коагуляция, диспергация, глинистые частицы

Исследовано влияние некоторых растворимых натриевых солей на структурообразование глинистых частиц, а именно на процессы диспергации и коагуляции глин различного химического состава. Объектами исследования являлись композиции на основе глин Шеланговского и Ключищенского месторождений с добавками карбоната натрия, метасиликата натрия и хлорида натрия. Показано, что добавление метасиликата натрия в количестве 7% благоприятно влияет на глину Шеланговского месторождения и в количестве 1% на глину Ключищенского месторождения ввиду лучшей диспергации глинистых частиц и, как следствие этого, улучшает дообжиговые свойства сырья.

Key words: photosedimentation, dispersation, coagulation, dayey particles.

Influence of some soluble sodium salts on clayey particles structurization, viz. on dispersion and coagulation processes in different chemical composition clays, were investigated. Object of researches were compositions Shelanga and Klyuchishchi fields clays with sodium carbonate, sodium metasilicate and sodium chloride additions. It was shown, that addition of sodium metasilicate in amount of 7% has a favorable influence on Shelanga fields clays and, in amount of 1%, on Klyuchishchi fields clays, in view of best dispersation of clayey particles, and, therefore, improves preburning properties of said raw materials.

Взаимодействие глины с электролитами во многом определяет главнейшие свойства системы глина-вода, которые могут значительно изменяться в зависимости от степени взаимного притяжения глинистых частиц друг к другу. Подбирая состав и концентрацию электролитов, можно в широких пределах регулировать все рабочие свойства этой системы [1].

В качестве основных объектов исследования были выбраны два месторождения глин Республики Татарстан и исследованы их сушильные свойства, результаты которых представлены в таблице 1.

Коэффициент чувствительности к сушке является одним из важнейших показателей пригодности глинистого сырья для производства керамических изделий. На его величину, главным образом, влияют такие параметры, как критическая влажность и градиент влажности и он рассчитывается с учетом этих параметров. По значению коэффициента чувствительности глины подразделяются на малочувствительные (Кч<1,2),

среднечувствительные (Кч=1,2—1,4), высокочувствительные (Кч>1,4). Из представленной

таблицы 1 видно, что ни одна из рассматриваемых глин не удовлетворяет требованиям к сырью, применяемого в производстве керамического кирпича. Так, чувствительность вышеуказанных глин к сушке находится в пределах 3,4-3,7, и является высокой, что говорит о большой вероятности возникновения брака на стадии сушки материала.

Таблица 1 - Сушильные свойства глин Шеланговского и Ключищенского месторождений

Глины Воздушная Начальная Критическая Градиент Коэффициент

усадка, % влажность, влажность, влажности, чувствительности

% % %

Шеланга 7.1 17.2 3.9 13.3 3.4

Ключищи 8.5 23.9 5.1 18.7 3.7

С целью улучшения свойств сырья вышеуказанных месторождений было предложено ввести некоторые натриевые соли и рассмотреть их влияние на систему глина-вода. Для этого были приготовлены композиции на основе глин Шеланговского и Ключищенского месторождений с добавками таких солей как метасиликат натрия, хлорид натрия и карбонат натрия с процентным их содержанием от массы глины 1%, 3%, 5% и 7%. Выбор вышеуказанных солей обоснован тем, что они являются хорошими электролитами, и, одновременно, доступным и недорогим сырьем.

Характерные свойства глинистых суспензий определяются не только химикоминералогическим составом, но и степенью дисперсности, что в свою очередь влияет на соотношение дисперсной фазы и дисперсионной среды. Метод седиментационного анализа основан на определении скорости оседания частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде. Определив экспериментально скорость оседания частиц, можно рассчитать их размер, то есть степень дисперсности.

Увеличение степени дисперсности глинистых частиц приводит к увеличению их удельной поверхности. Следствием этого являются более равномерное смачивание, набухание и распределение глинистых частиц в системе глина-вода.

Результаты фотоседиментационного анализа глин с карбонатом натрия отражены на рисунках 1 и 2.

Как видно из рис. 1, глинистые частицы с добавками карбоната натрия в количестве 1% и 3% (по мас.) оседают в большем количестве, т.е. происходит коагуляция глинистых частиц. Это объясняется сжатием диффузного слоя, что обусловливает снижение того энергетического барьера, который препятствует отдельным глинистым частицам слипаться в агрегированные комплексы. Такое явление возникает вследствие насыщения глин однозарядными катионами натрия. При увеличении количества карбоната натрия до 5-7% (мас.) частицы начинают диспергироваться. Вероятно, это происходит из-за пересыщения обменной емкости глинистого сырья, вследствие чего повышается дисперсность глины.

Из рис. 2 видно, что при введении карбоната натрия в глину Ключищенского месторождения ее частицы диспергировали по мере увеличения содержания добавки. Так как в глине присутствуют катионы кальция Са2+, то происходит ионный обмен на катионы Ыа+. При каждом замещении двухвалентного катиона Са2+ одновалентным Ыа+ в глинистом зерне возникает избыточный отрицательный заряд. Если такое замещение происходит в двух слипшихся глинистых зернах, то в них появляются одноименные

некомпенсированные заряды, которые обусловливают отталкивание зерен друг от друга. В силу этого глинистая частица начинает диспергироваться на отдельные элементарные зерна. Однако, при повышении содержания добавки выше оптимального значенния происходит пересыщение обменной емкости глин, вследствие чего диффузный слой жидкости сжимается, расстояние между частицами сокращается, и происходит коагуляция глинистых частиц.

Рис. 1 - Зависимость изменения коэффициента пропускания от времени для глины Шеланговского месторождения (ШГ) с различным содержанием карбоната натрия

О "I------1-----1------1-----1------1-----1------1-----1---1--------1------1—

О 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165

Время, мин

Рис. 2 - Зависимость изменения коэффициента пропускания от времени для глины Ключищенского месторождения (КГ) с различным содержанием карбоната натрия

Таким образом добавка карбоната натрия оказывает свое положительное влияние на диспергацию глины Ключищенского месторождения лишь в количестве 1-5%. Количество карбоната натрия 7% по массе не допускается.

Результаты исследования влияния метасиликата натрия пятиводного на фотоседиментационные свойства глин Шеланговского и Ключищенского месторождений отражены в рисунках 3 и 4.

Рис. 3 - Зависимость изменения коэффициента пропускания от времени для глины Шеланговского месторождения (ШГ) с различным содержанием метасиликата натрия

Рис. 4 - Зависимость изменения коэффициента пропускания от времени для глины Ключищенского месторождения (КГ) с различным содержанием метасиликата натрия

По мере введения в глину Шеланговского месторождения метасиликата натрия пятиводного Ыа28Юз-5Н2О (рис. 3) увеличивается количество осаждающихся частиц, что наблюдается по изменению светопропускания. Аналогично влиянию карбоната натрия на указанное сырье происходит коагуляция частиц глины по мере увеличения в ней процентного содержания электролита в количестве 1-5% (мас.). Однако, при увеличении добавки до 7 % глинистые частицы начинают диспергироваться, что так же как и при введении карбоната натрия обуславливается пересыщением обменной емкости глины однозарядными катионами натрия.

В результате добавления метасиликата натрия в количестве 1% (мас.) в глину Ключищенского месторождения (рис. 4) происходит диспергация глинистых частиц, ввиду ионного обмена катиона кальция Са2+ на катион натрия Ыа+. При дальнейшем увеличении добавки до 3-7% (масс.) частицы агрегируются; это обуславливается насыщением катионами

натрия Na+. Вытесненный из сорбированного комплекса катион кальция Са2+ вместе со своей гидратной оболочкой мигрирует в суспензию (за пределы диффузного слоя) и там взаимодействует с анионом (SÍO3)2". Силикат кальция нерастворим в воде и выпадает в осадок, освобождая гидратную оболочку (связанную воду). Выпавший осадок CaSiO3 остается в межслоевом пространстве глины. Таким образом, в результате образования силиката кальция и выпадения осадка при неизменном общем количестве воды в глинистой суспензии происходит увеличение количества свободной (обладающей большой подвижностью) воды за счет уменьшения количества связанной. При обжиге CaSiO3 существует вероятность образования a-CaSiO3 - волластонита, обладающего игольчатой структурой, который улучшит прочностные свойства материала, армируя его [2].

Аналогичные исследования были проведены с использованием хлорида натрия.

Введение хлорида натрия в глину Шеланговского месторождения приводит к коагуляции глинистых частиц вследствие ее насыщения катионами натрия Na+. Глинистые частицы увеличиваются в размере с повышением содержания в составе глины Шеланговского месторождения количества добавки хлорида натрия.

Однако при введении в глину Ключищенского месторождения хлорида натрия в количестве 1% (мас.) глинистые частицы начинают диспергировать, как в случае действия пятиводного метасиликата натрия, вследствие ионного обмена катиона кальция Са2+ на катион натрия Na+. При введении хлорида натрия в количестве 3-7% (мас.) происходит коагуляция глинистых частиц (количество осевших частиц увеличивается).

Таким образом, анализируя действие рассмотренных натриевых солей на структурообразование глинистых частиц, можно сказать, что карбонат натрия, метасиликат натрия пятиводный и хлорид натрия одинаково влияют на свойства глины Шеланговского месторождения. Влияние хлорида натрия на глину Ключищенского месторождения идентично метасиликату натрия пятиводного. Однако, учитывая вероятность неблагоприятного воздействия карбоната и хлорида натрия в последующих процессах производства керамических изделий (выделение газообразного хлора и углекислого газа при обжиге), можно сказать, что использование этих солей нежелательно. Введение метасиликата натрия в глину Шеланговского месторождения в количестве 7% и в глину Ключищенского месторождения в количестве 1% благоприятно влияет на свойства рассмотренных глин ввиду лучшей диспергации глинистых частиц, а также исключается выделение вышеуказанных газов в процессе производства керамических изделий. Коэффициент чувствительности глин с содержанием метасиликата натрия находится в пределах 1,0-1,4. Помимо всего, при разложении метасиликата натрия пятиводного образуется оксид натрия, исполняющий роль плавня при обжиге и высокодисперсный оксид кремния, повышающий прочность готового изделия. Следовательно, метасиликат натрия может быть рекомендован как компонент глинистого сырья для производства керамических изделий.

Литература

1. Галабутская, Е.А. Система глина-вода / Е.А. Галабутская - Львов: Изд-во Львовского полит. ин-та, 1962. - 212 с.

2. Юшкевич, М.О. Технология керамики / М.О. Юшкевич, М.И. Роговой - М.: Изд-тво литер. по строительству, 1969. - 350 с.

© Е. Н. Филиппович - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов, helen8385@rambler.ru; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, зав. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А.В. Скворцов - ст. препод. той же кафедры; А. З. Сулейманова -ст. препод. той же кафедры; Л. И. Зарипова - студ. КГТУ