Сравнительная оценка структуры частиц и адсорбционных свойств шунгита и бентонита

3. Калмыков Б. Ю., Овчинников Н. А., Гармидер А. С., Калмыкова Ю. Б. Энергетический этап метода определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации кузова автобуса // International scientific review, № 8 (9), 2015 г.

4. Калмыков Б. Ю., Овчинников Н. А., Гармидер А. С., Калмыкова Ю. Б. Нагрузочный этап метода определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации кузова автобуса // International scientific review, № 8 (9), 2015 г.

5. Калмыков Б. Ю., Овчинников Н. А., Гармидер А. С., Калмыкова Ю. Б. Расчет значений нагрузок оконных стоек кузова автобуса ЛиАЗ-5256 методом определения остаточного ресурса безопасной эксплуатации кузова автобуса. // European science, № 8 (9), 2015 г.

Сравнительная оценка структуры частиц и адсорбционных свойств шунгита и бентонита Корнев В. А.1, Рыбаков Ю. Н.2, Чириков С. И.3

1 Корнев Виталий Анатольевич / Kornev Vitaly Anatol ’evich - кандидат химических наук, доцент,

старший научный сотрудник;

2Рыбаков Юрий Николаевич /Rybakov Jurij Nikolaevich - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник 23 отдела;

3Чириков Сергей Игоревич / Chirikov Sergey Igorevich - младший научный сотрудник,

23 отдел ФАУ,

25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России, г. Москва

Аннотация: проведен сравнительный анализ химического состава и структуры шунгита и бентонита. Показаны особенности строения частиц (фуллерен, монтмориллонит), обеспечивающие адсорбционную активность шунгита и бентонита, перспективность их применения в качестве сорбентов светлых и темных нефтепродуктов.

Ключевые слова: шунгит, бентонит, химический состав, структура, фуллерен, монтмориллонит, адсорбционные свойства.

Шунгиты — это специфичные углеродосодержащие породы, получившие свое название от карельского поселка Шуньга на берегу Онежского озера. Шунгитовый углерод обладает аморфной структурой, устойчивой против гравитации, характеризуется высокой реакционной способностью в термических процессах, высокими сорбционными и каталитическими свойствами, электропроводностью и химической стойкостью.

Структура шунгита необычна и существенно отличается от структуры частиц минеральных наполнителей (алюмосиликатов) и углеродных наполнителей (графита, алмаза, технического углерода - сажи). Порода шунгита представляет собой композит, матрицу которого образует углерод. В углеродной матрице равномерно распределены высокодисперсные частицы силикатов. Основными компонентами, например, карельского шунгита, являются углерод, диоксид кремния и оксид алюминия. Уникальность минеральной породы шунгита, возраст которой приближается к 2 миллиардам лет, заключается в особенности молекулярного состава и структуры частиц. Кроме углерода (С60) с процентным содержанием более 35 % [1], в состав шунгита входят также: SiO2 (57,0 %), ТЮ2 (0,2 %), А1203 (4,0 %), FeO (2,5 %), MgO (1,2 %), ^O, адсорбционно связанная (4,2 %), ^O (1,5 %), S (1,2 %).

Ниже приведены основные физические свойства этой горной породы:

— Плотность - 2,1-2,4 г/см3.

— Пористость - до 5 %.

— Развитая внутренняя поверхность - до 20 м2/г.

ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015 | 20 |

— Адсорбционно активен по отношению к различным органическим веществам.

— Частицы шунгита, независимо от их размера, обладают биполярными свойствами. Следствием этого является высокая адгезионная активность и способность шунгита смешиваться с различными средами.

Такие особенности шунгита обусловлены спецификой построения его структуры частиц, в основе которой лежит глобула фуллерена со сферической поверхностью, образованной из шестиугольников и пятиугольников (рис. 1). Природой обеспечена четкая последовательность этого соединения: каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие близкую к сферической форме глобулу фуллерена, связаны между собой сильной валентной связью.

Рис. 1. Глобула фуллерена, являющаяся основой структуры шунгита

Огромные природные запасы шунгитсодержащих пород имеются в России и Казахстане: Зажогинское, Нигозерское, Шунгское, Мягрозерское (Россия) и Коксу (Казахстан). Основные месторождения России расположены в Республике Карелия, в Медвежьегорском и Кондопожском районах [1].

Шунгитовая структура является некристаллической метастабильной

неграфитируемой, глобулярной, фуллереноподобной сетчато-шарообразного строения, которая обеспечивает электропроводность и магнитные свойства минералу особенно с повышенным содержанием углерода в структуре [2]. Главным элементом этой структуры является глобула с размерами 100-300 А0 (10-30 нанометров) -фуллерен. Своим названием это соединение обязано инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, который сооружал конструкции в виде выпуклых замкнутых многогранников. Наличие в шунгите наночастиц - фуллеренов открывает широкие перспективы по его использованию. Глобула имеет луковичную структуру и способность в небольших пределах изменять упорядоченность внутри

фуллереноподобных слоев и расстояние между слоями, что, в частности, обеспечивает высокую адсорбционную способность шунгита, возможность его применения в военных и космических технологиях [3].

Измельченный порошкообразный шунгит эффективно очищает не только водные среды, в том числе от нефтепродуктов [4], но и преобразует токсичный гептил -основной компонент топлива ракетных двигателей в гораздо менее опасную смесь метана, азота и воды [5].

Существуют и другие природные минералы и порошкообразные наполнители на их основе с высоким сорбционными свойствами, одним из распространенных является бентонит - аморфный алюмосиликат, не содержащий углерода в структуре [6, 7]. Типовой химический состав бентонита: SiO2 (58,5 %), TiO2 (0,1 %), A12O3 (14,2%), FeO (0,6 %), Fe2O3 (1,7 %), MgO (1,7 %), СаО (1,7 %), H2O адсорбционно связанная (1,2 %), K2O (1,1 %), Na2O (0,6 %), S (0,1 %). I

I 21 I ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015

кремнекислородные тетраэдры

гидратированные катионы

алюмогидрокснльные октаэдры

Рис. 2. Строение частиц монтмориллонита - основы бентонита

По химическому минеральному составу бентонит близок к шунгиту, но строение частиц бентонита коренным образом отличается от шунгита. Частицы бентонита имеют чешуйчатое, пластинчатое строение. Линейные размеры чешуйки находятся в пределах 0,01 -0,04 мкм и примерно в 10-100 раз превышают ее толщину (рис. 2).

Выявлено, что при активации бентонита целесообразно использовать внешний (верхний) монтмориллонитовый слой, характеризующийся на 25 % более высокой по отношению к нижнему слою сорбционной активностью. Монтмориллонит - это высокодисперсный слоистый алюмосиликат, в котором вследствие нестехиометрических замещений катионов кристаллической решетки появляется избыточный отрицательный заряд, компенсирующий обменные катионы в межслоевом пространстве. Монтмориллонит доминирует в минералогическом составе бентонита, его доля составляет 72 %, также имеется 8 % каолинита, 6 % полевого шпата, 7 % кварца, 5 % слюды и 2 % кальцита.

Особенности кристалло-химического строения монтмориллонита являются основой бентонитовых глин, проявляющих высокую сорбционную емкость (более 70 мг-экв/100 г) [8].

Крупные месторождения бентонита в России (Курганское, Кудринское, Омское), в Украине - Черкасское, Бучанское, Трубежское, Цырское месторождения бентонитовых глин создают серьезные предпосылки его совместного освоения как эффективного сорбирующего агента и в других областях промышленности.

Целесообразно продолжение исследований и освоения шунгита и бентонита в качестве сорбентов светлых и темных нефтепродуктов.

Другим направлением использования мелкодисперсных порошкообразных продуктов шунгит и бентонит является применение их в качестве наполнителей полимерных и эластомерных материалов, как то - резины и пластмассы. Благодаря особенностям строения частиц и высокой адсорбционной активности, исходные и особенно модифицированные частицы бентонита адсорбируют фрагменты макромолекул каучука, обеспечивая взаимодействие на границе раздела «каучук -бентонит» [9-11].

Литература

1. Обзор рынка шунгита в СНГ // М.: Инфомайн, 3-е издание, октябрь 2013, с. 1-14.

2. Земцов В. А. Магнитные свойства высокоуглеродистых шунгитов // Геология и полезные ископаемые Карелии, Петрозаводск, 2003, вып. 6, с. 104-108.

3. Игнатов И., Мосин О. В. Состав и структурные свойства природного фуллереносодержащего минерала шунгита. Математическая модель взаимодействия шунгита с молекулами воды // Науковедение, 2014, № 2 (21), с. 1-17.

ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015 | 22 |

4. Скоробогатов Г. А., Гончаров Г. Н., Ашмарова Ю. А. Ионообменные и адсорбционные свойства карельских шунгитов, контактирующих с водой // Экологическая химия, 2012, № 21 (1), с. 10-16.

5. Максименко О. О. Победа шунгита над гептилом // Химия и жизнь, 2006, № 12, с. 14-15.

6. Черкасов А. С., Сомин В. А., Комарова Л. Ф., Куртукова Л. В. Изучение сорбционных свойств бентонита милосского месторождения и материала на его основе // Ползуновский вестник, 2014, № 3, с. 254-256.

7. Сомин В. А., Фогель А. А., Комарова Л. Ф. Способ получения сорбционного материала // 2012, патент на изобретение РФ № 2460580.

8. Крымова В. В., Щербин Э. А. Исследование процесса адсорбции ионов Fe3+ на бентонитах // Ученые записки Таврического Национального Университета им. В. И. Вернадского, серия «Биология, химия», Симферополь, 2012, том 25 (64), № 4, с. 248-254.

9. Корнев В. А., Сахарова Е. В., Шершнев В. А., Туторский И. А., Потапов Е. Э. и др. Резиновая смесь на основе карбоцепного каучука с бентонитом // Патент RU 937480.

10. Корнев В. А., Сахарова Е. В., Потапов Е. Э., Шершнев В. А. Исследование свойств и механизма действия новых модифицирующих систем на основе бентонита и модификатора РУ // Каучук и резина, 1983, № 5, с. 21-23.

11. Корнев В. А., Меркулова Т. А., Сахарова Е. В., Потапов Е. Э. Применение бентонита в резиновой промышленности // Производство шин, РТИ и АТИ, М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1983, № 6, с. 5-8.

| 23 | ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015