Ионно-обменные свойства водно-глинистых суспензий

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИОННО-ОБМЕННЫЕ СВОЙСТВА ВОДНО-ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ

Цветкова Е.В., Юдин А.А.

«Оренбургский государственный университет», Оренбург

Глины, полифазная смесь минералов, способны при контакте с водой переходить в пластическое состояние. Наиболее важными свойствами глин являются набухаемость, пластичность, гидрофильность, ионный обмен и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички. Глинистые минералы отличаются тонкодисперсностью, особенно минералы группы монтмориллонита, используемые для в качестве ценного сырья для производства функциональной керамики. Монтмориллонит имеет формулу (ОН)4 Si8Al4O20 n H2O. Кремний в молекуле монтмориллонита может замещаться на ионы Al3+, Fe2+, 3+, Zn2+, Cu2+, Mg2+, Li+. Монтмориллонит обладает ионообменной и адсорбционной, способностью, поглощает и выделяет слабо связанную воду в зависимости от влажности окружающей среды [1].

Способность глинистых минералов к катионному обмену связана с двумя механизмами, обусловленными гетерогенным распределением отрицательного заряда на поверхности: изоморфным замещением и разрывом связей гидроксильных групп на боковых гранях. При изоморфном замещении внутри кристаллической ячейки атомы кремния заменяются атомами алюминия, которые далее замещаются ионами низшей валентности, чаще всего магния. Заряд ячейки становится нескомпенсированным и абсорбирующиеся обменные катионы его уравновешивают. Около 80% емкости катионного обмена обусловлены катионами, расположенными на базальных поверхностях слоистых минералов. Замещение внутри решетки по типу Si4+> Al3+ > Mg2+ характерно для минералов монтмориллонитовой группы. Второй механизм ионного обмена связан с разрушением гидроксильных связей вокруг алюмокремниевых единиц, возникающие при этом заряды уравновешиваются обменными ионами. Обмен катионами может осуществляться с участием водорода наружных гидроксильных групп. На обменную емкость существенно влияет рН; при ее повышении адсорбция ионов щелочных и других металлов облегчается с возрастающим поляризующим действием среды [2].

Суспензии глинистых минералов обладают собственным значением рН, которое несет определенную информацию об относительном содержании щелочных и щелочноземельных элементов в их химическом составе. Этот показатель является решающим и при изучении гидрофильных свойств глины.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердым веществом - ионитом, обладающим способностью обменивать ионы, содержащиеся в нем, на ионы, присутствующие в растворе. Иониты, обладающие кислотными свойствами (катиониты), способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, а щелочными свойствами (аниониты) - отрицательные ионы. Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная обменная емкость - это количество вещества, поглощенного до полного насыщения ионита; статическая (равновесная) емкость - количество вещества, поглощенное при равновесии в данных рабочих условиях; динамическая емкость ионита до "проскока" ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации [3].

Известно, что природные глинистые минералы в обычных условиях являются катионитами Н-формы; ионы водорода на поверхности глинистых минералов могут вступать в реакцию обмена с другими катионам. Уравнение реакции катионного обмена глины с катионами щелочных металлов можно представить таким образом:

Глина-Н + R+> Глина-R + Н+

При обмене значение рН раствора будет меняться, поэтому обмен ионов щелочных металлов на глинистых минералах может быть исследован методом потенциометрического титрования [4].

Объект и методы исследования:

В качестве объекта исследования выбрана среднедисперсная фракция монтмориллонитовой глины Оренбургского месторождения с размерами частиц d 160 мкм. Химический и фазовый составы глины приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1 - Химический состав полидисперсной глины [3]

Таблица 2 - Фазовый состав частиц исследуемой глины [4]

Исследования по определению рН водных глинистых растворов различной концентрации проводили при температурах 240 С, 500С и 700С. Для анализа использовался рН-метр «pH-150МИ» со встроенным датчиком температуры.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Согласно проведенным ранее исследованиям [5] процессов ионного обмена в водной суспензии, содержащей полидисперсные частицы монтмориллонитовой глины, максимального обмена катионами (0,087 ммоль/г) следует ожидать при 500 С в случае 6? рН ?7. Зависимости значений ионообменной ёмкости Q от рН приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Зависимость от кислотности суспензии [6].

глинистый минерал суспензия ионный

Результаты изучения влияния содержания частиц глинистых минералов и температуры суспензии на значения рН приведены на рисунке 1. Экспериментальные данные представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость рН от концентрации глинистых растворов

Рисунок 1 иллюстрирует влияние обоих факторов на значения рН суспензии. Можно отметить, что влияние температуры на значения рН проявляются слабо: при увеличении температуры на 450 снижаются менее чем на 0,45. При содержании частиц глинистых минералов в количестве 5% значения рН возрастают при комнатной температуре в 1,5 раза (в среднем от 5 до 7,5). С увеличением количества частиц рН снижаются от 7,3 до 6,8.

Выводы

Проведённые эксперименты показали, что максимальные значения рН наблюдаются для глинистых растворов с концентрацией частиц 5%. В области температур 25-700С рН меняется слабо (на 3%). В пределах исследованного диапазона температур и концентраций частиц с размерами d 160 мкм значения рН лежат в области 6,5-7,5 и, согласно таблице 3, обладают максимальными возможностями для ионных обменов.

Для изучения зависимости рН растворов от других внешних воздействий требуются дополнительные эксперименты.

Авторы выражают благодарность профессору О.Н. Каныгиной за помощь в обсуждении результатов эксперимента.

Список литературы

1. Цветкова Е. В. Влияние температурного воздействия на вязкость водно-глинистых суспензий/ Е.В. Цветкова // Матер. всеросс. научно-метод. конфер. «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ. - 2018. - С. 2626-2630. - ISBN 978-5-7410-1910-8.

2. Кравцова, О С. Дисперсионный анализ глинистых систем / О.С. Кравцова, А.Г. Четверикова, О.Н. Каныгина // Матер. всеросс. научно-метод. конфер. «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ. - 2012. - С. 921-925. - ISBN 978-5-4418-0022-8.

3. Анисина, И. Н. Содержание элементного железа как метка для контроля спекания алюмосиликатной керамики [Электронный ресурс] / Анисина И. Н., Каныгина О. Н. // Стекло и керамика, 2017. - № 11. - С. 33-36.

4. Каныгина, О. Н. Монтмориллонит содержащая глина как сырье для функциональных материалов / О. Н. Каныгина, И. Н. Анисина, А. Г. Четверикова, Е. В. Сальникова// Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - № 10, октябрь. - С. 354-356.

5. Кушнарева, О. П. Ионообменные свойства природной монтмориллонит содержащей глины Оренбургской области [Электронный ресурс] / Кушнарева О. П., Каныгина О. Н. // Вестник Оренбургского государственного университета,2017. - № 9 (209). - С. 23-26. . - 4

6. Кушнарева, О. П. Управление ионообменными процессами в природных алюмосиликатных материалах [Электронный ресурс]:выпускная квалификационная работа: направление подготовки 04.04.01 Химия / О. П. Кушнарева. - Оренбург. - 2017. - 95 с.

Размещено на Allbest.ru