Характеристика глинистих порід Полозького родовища

Natural clay minerals with given characteristics are promising materials for solving a range of relevant scientific problems related to the development of new composite materials, catalysts and sorbents in water treatment technologies.

Natural layered silicates have a number of unique properties, such as the ability to ion exchange, high cation exchange capacity, micro- and nanoporous structure, the presence of surface active centers of different nature. Due to these properties, they are widely used as highly effective components for the separation of compounds of various natures and wastewater treatment, saturated hydrocarbons, separation of homogeneous mixtures of gases and liquids, for neutralization of radioactive isotopes, in pharmacy and cosmetology.

A feature of layered silicates is the ability to intercalate polar liquids with the expansion of the interpackage space and subsequent stratification into separate layers. This property is actively used, for example, in the development of polymer-inorganic nanocomposites.

The research of phase, elemental composition of clay rocks ofPolozhskoye deposit with the help of modern methods of analysis - X-ray phase analysis, electron microscopy (electron microscope JSM-6390LV), IR spectroscopy (Fourier IR spectrophotometer Spectrum One (Perkin Elmer)), elemental analysis (XSAM-800 Kratos spectrometer). The gross formula of the clay mineral was calculated by elemental analysis. IR spectroscopic study showed that in the tetrahedral and octahedral positions of kaolinite there are cations Mg2 +, Fe3 + and Ti4 +. Analysis of the IR spectra of the clay mineral revealed the presence of OH groups in the interlayer space, as well as adsorbed water molecules, which significantly affect the technological properties of clay. The test sample contains mainly kaolinite (98%). X-ray phase analysis confirmed the predominant composition of the clay mineral - Afi (OH) (Si O ).

According to the obtained results of the microstructure analysis, the investigated clay rock is aggregates of kaolinite with unevenly distributed oxides of iron and titanium.

Key words: clay, kaolinite, IR spectra, X-ray phase analysis, scanning microscopy.

Вступ

Природні та синтетичні алюмосилікати з заданими характеристиками є перспективними матеріалами для вирішення цілого кола актуальних наукових завдань, пов'язаних із розробкою нових композитних матеріалів, каталізаторів і сорбентів, що використовуються в технологіях водоочищення [1-4].

Природні шаруваті силікати складають близько 75% осадової частини земної кори. До них відносяться глини і глинисті мінерали - каолініт, монтморилоніт, сапоніт, палигорськіт, вермикуліт тощо [5].

Природні шаруваті силікати - це матеріали, що володіють рядом унікальних властивостей, таких як здатність до іонного обміну, висока катіонно-обмінна ємність, мікро- і нанопорувата структура, наявність поверхневих активних центрів різної природи. Завдяки цим властивостям вони широко використовуються як високоефективні компоненти для відокремлення сполук різної природи та очищення стічних вод, насичених вуглеводнів, розділення гомогенних сумішей газів і рідин, для знешкодження радіоактивних ізотопів, у фармації і косметології [6-9].

Особливістю шаруватих силікатів є здатність до інтеркаляції полярних рідин з розширенням міжпакетного простору і подальшим розшаровуванням на окремі шари. Ця властивість активно використовується, наприклад, при розробці полі- мер-неорганічних нанокомпозитів [10].

Кількість робіт, присвячених розробці полімерних нанокомпозитів, постійно зростає. Це пов'язано з можливостями істотного поліпшення ряду фізичних і механічних властивостей у порівнянні з мікро- і макрокомпозитами, що містять таку ж кількість неорганічного наповнювача. Саме властивості шаруватих силікатів адсорбувати катіони металів, органічні сполуки активно застосовуються в технологіях одержання адсорбентів природоохоронного призначення [11; 12].

Водночас природні мінерали є складними, з непостійним складом, багатокомпонентними системами. їхні фізико-хімічні властивості (вміст основної фази в породі, тип катіонообмінної форми, хімічний склад основних складових) істотно залежать від географічного розташування родовища. Ці обставини обмежують більш широке використання глинистих мінералів у ряді областей, особливо в тих, де необхідна сталість структурних і фізико-хімічних характеристик використовуваних матеріалів, наприклад, для вирішення низки актуальних завдань у харчовій промисловості, ресурсозберігаючих технологіях. Крім того, різноманітність складу, структурних і текстурних характеристик природних мінералів не дозволяють здійснити фундаментальні дослідження впливу структурних і фізико-хіміч- них параметрів матеріалів на їх сорбційні, каталітичні та інші практично-значимі властивості.

Таким чином визначення особливостей фазового, хімічного та морфологічного складу глинистих порід покладів України дуже важливе і актуальне.

Методика проведення експерименту

Предмет дослідження - це глина Полозького родовища (Україна).

Рентгенофазовий аналіз синтезованих зразків проводили з використанням порошкового дифрактометра ДРОН-2 (СоКа випромінювання, діапазон значень кута 20 від 10 до 90° з кроком 0,1°). Середній розмір частинок зразків за даними рентгенівської дифракції оцінювали на підставі розрахунку за формулою Шеррера.

Морфологію синтезованих зразків досліджували методами скануючої електронної мікроскопії. Дослідження методом СЕМ проводили з використанням електронного мікроскопу JSM-6390LV за допомогою стандартного методу підготовки зразків.

Склад поверхні зразків визначали методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії на спектрометрі XSAM-800 Kratos. Вакуум у камері приладу був 10^-8 мм рт. ст. Фотоелектрони збуджувалися MgKa випромінюванням (hv = 1253.6 еВ).

Для вивчення структурних особливостей досліджуваних зразків були проведені вимірювання методом ІЧ-спектроскопії поглинання. Вимірювання проводили на Фур'є ІЧ спектрофотометрі Spectrum One (Perkin Elmer) в спектральному діапазоні від 400 до 4000 см^-1. Зразки для вимірювань були виготовлені шляхом пресування досліджуваних порошків з KBr під вакуумом.

Результати та їх обговорення

Метод електронної мікроскопії дозволяє встановити мінеральний склад, розміри, форму частинок глинистих порід, тому на першому етапі визначали гранулометричний склад глинистих порід.

За отриманими результатами аналізу мікроструктури (рис. 1) досліджувана глиниста порода є агрегатами каолініту з ізоморфно розподіленим ферум(ІІІ) оксидом та титан(^) оксиду.

Рис. 1 РЕМ-фотографія глини Полозького родовища

Відомо, що хімічний склад глинистих мінералів непостійний і значною мірою залежить від умов формування породи, геологічного віку, вмісту зв'язаної води тощо. Приблизний склад мінералу каолініту вміщує Al₂O₃ 39,56%, SiO₂ 46,5%, H₂O 13,94 % з домішками оксидів ферум(ІІІ) оксиду, титан(^) оксиду, кальцій оксиду, калій оксиду. Мікроаналіз хімічних елементів у відміченій точці, показав характерний для каолініту вміст оксиду кремнію та алюмінію (рис. 2).

Рис. 2 Спектрограма глини Полозького родовища

Для визначення розподілу каолініту в зразках глинистого мінералу була виконана серія дослідів з визначення елементного складу в обраних точках на поверхні агрегатів і аналіз вмісту хімічних елементів в усередненій пробі. На спектрограмах чітко реєструвалися інтенсивні піки, відповідні алюмінію і силіцію, а кількісний перерахунок на вміст оксидів давав характерне для каолініту співвідношення (табл. 1).

Відомо, що кожній сполуці в складі глини притаманна своя кристалічна решітка зі специфічними параметрами (значеннями величин міжплощинних відстаней d і відносних інтенсивностей I для кожної лінії), що характерні тільки цій фазі. Отримані в результаті рентгенофазового аналізу дифрактограми зразків глини (рис. 3) показали, що характерним є високий вміст каолініту.

Досліджуваний зразок містить переважно каолініт (98%). Хімічна формула - Дl₄(OH)_g(Si₄O₁₀), відповідно серія рефлексів: 7,09; 4,39;4,21; 3,54; 3,32; 2,54; 2,37; 2,12; 1,98; 1,77; 1,66; 1,53; 1,48, 1,37; 1,28. Кристалічна структура каолініту має певну щільну шарувату структуру.

Як видно з рис. 4, для груп ОН^-, розташованих усередині шару і здатних утворювати водневі зв'язки з прилеглим шаром, характерні такі частоти поглинання: 3695, 3670, 3650 см^-1. Саме ці смуги спектра, що чутливі до збурень водневих зв'язків, зумовлені зсувами в високочастотній області, ізоморфними заміщеннями в шарі і іншими факторами [13]. Деформаційні коливання зв'язків Al-OH зумовлюють смуги поглинання в області менших частот. Для Полозького глинистого мінералу вона проявляється за 913 см^-1 у вигляді досить інтенсивного піку. Адсорбовані молекули води в міжшаровому просторі каолініту викликають поглинання в області 1656 см^-1.

Таблиця 1

Елементний склад глини