Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Курсовая работа - Бентонит как природный наноматериал - файл 1.doc


Курсовая работа - Бентонит как природный наноматериал
скачать (327.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc328kb.18.12.2011 03:59скачать

Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Содержание
Введение 3

1 Месторождения бентонитов 5

1.1 Гидротермально-метасоматические месторождения 5

1.2 Вулканогенно-осадочные месторождения 7

1.3 Терригенно- и коллоидно-осадочные месторождения 10

1.4 Элювиальные месторождения 11

2 Химико-минеральный состав 15

3 Структура бентонитовых глин 18

3.1 Общие сведения о структуре глинистых минералов 18

3.1. Смешанослойные минералы 20

3.2 Структура монтмориллонитовых слоев 21

4 Свойства бентонитов 24

4.1 Химические и структурно-механические свойства бентонитов 24

4.2 Физические свойства бентонитов 26

4.2.1 Дисперсность 26

4.2.3 Средняя плотность и пористость 27

4.2.3 Пластичность 28

4.2.4 Набухаемость 29

4.2.5 Коллоидальность 30

5 Применение бентонитов 31

5.1 Строительные пластмассы 31

5.2 Бентонитовые суспензии 32

5.3 Гидроизоляторы 33

5.4 Строительная керамика 33

5.5 Буровые растворы 34

5.6 Производство железорудных окатышей 34

5.7 Литейное производство 35

Заключение 36

Список литературы 37

Введение
Согласно представлением классической кристаллографии, мельчайшими единицами, из которых построен минеральный мир, является элементарная ячейка, которая обладает практически всеми свойствами макрокристаллов. Однако элементарная ячейка состоит из еще более мелких объемных единиц, не обладающих законченными свойствами кристаллов. Они получили название доменов, кластеров и т.д. Сочетание этих объемных единиц бесконечно, располагаясь определенным образом в пространстве, они могут создавать новое вещество со свойствами, резко отличающимися от стандартов. Манипулируя нанообъектами с помощью специальных технологий, можно создавать принципиально новые материалы и конструкции.

Наноразмерные вещества создаются в лабораториях, а затем на соответствующих предприятиях, однако многие исследователи считают, что подобные соединения могут возникать в природе.

Главным составляющим бентонитовых глин является монтмориллонит (Al2O3·4SiO2·H2O) и бейделлит (Al2O3·3SiO2·nH2O). Минерал монтмориллонит впервые обнаружен в 30-х го­дах во Франции, в белых и розовых бентонитах в окрестностях г. Монтмориллон, с которым и связано его название [1]. Минералы монтмориллонитовой группы (смектиты) обладают практически всеми свойствами природных наноразмерных частиц.

В конце XIX в. крупные залежи монтмориллонитовых глин, были выяв­лены в США в штатах Вайоминг в свите «форт Бентон» – в 1888 г., откуда и пошло наименование «бентониты», впервые при­мененное в 1898 г. В. К. Найтом [2].

Чтобы природные наночастицы по своим свойствам могли конкурировать с искусственными наноматериалами, необходимо использовать бентонит высокого качества с содержанием монтмориллонита 85 – 95%.

Глины с содержанием монтмориллонита менее 60 – 70% целесообразно назы­вать бентонитоподобными. В качестве примесей в бентонитах и бентонитоподобных глинах встречаются смешаннослойные минера­лы, гидрослюда, каолинит, галлуазит, иногда палыгорскит, цео­литы и др.

По составу обменных катионов бентониты можно подразде­лять на щелочные, где основным компонентом являются катионы натрия; щелочноземельные (кальциевые, магниевые, кальциево-магниевые и магниево-кальциевые), где больше половины обмен­ных катионов принадлежат кальцию и магнию, и смешанные, в которых содержание щелочных и щелочноземельных компонентов примерно равное.

Щелочные бентониты характеризуются высокой набухаемостью (до 8 – 19 раз), коллоидальностью, дисперсностью и принадлежат к дефицитным разновидностям. Щелочноземельные бен­тониты обладают малой гидрофильностью (то есть слабо или вовсе не набухают), меньшей дисперсностью и коллоидальностью. Бен­тониты смешанные характеризуются промежуточными свой­ствами.

Бентониты щелочноземельные и смешанные при обработке их натриевыми препаратами легко преобразуются в щелочные, со всеми присущими им свойствами – набухаемостью, дисперс­ностью, коллоидальностью. Бентониты, обработанные при уста­новленных оптимальных режимах минеральными кислотами (сер­ной или соляной), резко повышают свои адсорбционные и ката­литические свойства. Нестойкие по отношению к кислоте бентониты американские исследователи предложили именовать суббентонитами. Такие бентониты под воздействием серной кислоты подвергаются значительным изменениям и после отмывания от кислоты и обработки натриевыми препаратами не восстанавливают первоначальные свойства [1].

1 Месторождения бентонитов

1.1 Гидротермально-метасоматические месторождения
К этому генетическому типу относятся место­рождения высококачественных натриевых и щелочноземельных бентонитов нашей страны и мира. К ним, в частности, принадлежат из­вестные закавказские месторождения – Саригюхское в Армении, Даш-Салахлинское в Азербайджане, Цихисубаньское и Ванискедское Асканской группы в Грузии. Среди зарубежных широко известно месторождение белых безжелезис­тых бентонитов на о. Понца в Италии. Близка к нему по качеству группа месторождений высокосортных маложелезистых щелочных бентонитов в Японии, в том числе месторождение Бодай в пре­фектуре Исикава. Глины этого месторождения, наряду с монтмо­риллонитом, содержат в значительных количествах цеолиты и кристобалит. Таковы же бентониты место­рождения Каминоиама в префектуре Ямагата на севере Японии и Хаттари на о. Хоккайдо [1].

Большой интерес представляет месторождение так называе­мых гекторитов – магнезиальных бентонитов у ж.-д. ст. Гектор в штате Калифорния в США. По данным Л.Л. Эймса, Л.Б. Сайда и С.С. Гольдича, они образованы путем изменения туфов и пеплов, отложенных в замкнутом щелочном озерном водоеме, богатом солями магния, под действием горячих источников. Гекториты содержат в значительных количествах литий (Li2О более 1%) и фтор (до 4,75%). За последние годы бентониты описываемого типа откры­ты также в Венгрии (Иштенмейзейс, Комлошка, Мад), Румынии (Окна-Мудс в Трансильвании) и ряде других стран [1].

Бентониты гидротермально-метасоматического типа имеют серо-зеленоватую, голубоватую, желтоватую или кремовую окраску и при высыхании становятся более светлыми. В естественном виде описываемые бентониты обладают высокой пластичностью, имеют раковистый или оскольчатый излом, иногда содержат реликты слабоизмененных материнских пород (рисунок 1). Обыч­но они жадно впитывают воду, при этом натриевые и смешанные разновидности сильно набухают, увеличиваясь в объеме до 10 – 16 раз и более.

В минералогическом отношении гидротермально-метасоматические бентониты состоят на 80 – 90 % из хорошо окристаллизованного монтмориллонита, а в качестве примесей содержат смешаннослойные минералы и гидрослюду.



Рисунок 1 – Микрофотографии бентонитов с реликтовой структурой:

а – пемзовой, б – пемзовой с каплевидно-сферолитовыми стекловатыми образованиями, в – перлитовой монтмориллонитизированной, г – перлитовой гидрослюдизированной, д – кластической, е – перлитовой.
Для химического состава бентонитов типично пониженное содержание полуторных окислов, в том числе (в среднем) Al2O3 15,5% и Fe2О3 4,5% и повышенное количество Na2О (до 2,5%). Весьма характерно присутствие в заметных количествах F, Sc, Cr, Mn, Cu, Zn, Ga, Rb, Cs, Pb, Th и других редких элементов, адсорбированных глинистыми минералами из горячих вод или сохранившихся в качестве реликтов от материнских пород. В качестве парагенетических минералов характерны агат, халцедон, цеолиты, кристобалит, горный хрусталь и аметист, галенит и пирит.

Месторождения бентонитов описываемого типа образуются путем гидротермального метасоматоза вулканогенно-осадочных пород, в частности ба­зальтовых порфиритов и туфов, пеплов. Сильное влияние на качественные особенности возникающих при метасоматозе монтмориллонитовых минералов оказывает характер окружающих материнские породы вулканогенно-осадочных образований. В окружении морских отложений, содержащих высокие концентрации натрия в межгранулярных солевых растворах, создаются благоприятные условия для

генерации натриевых монтмориллонитовых глин. В окружении пресноводных озерных отложений, бедных соединениями натрия, образуются щелочноземельные бентониты типа гекторитов и др.

Качественное разнообразие образующихся бентонитов и содержание в них сопутствующих компонентов зависят также от состава термальных вод, их температуры и кислотности. Благоприятные условия для преобразования вулканических стекол в монтмориллонит создавались при низких (50 – 200°С) и средних (200 – 300°С) температурах гидротерм и их высокой щелочности (рН 9 – 10).
1.2 Вулканогенно-осадочные месторождения
К вулканогенно-осадочным относятся многочисленные место­рождения высококачественных тонкодисперсных бентонитов, в том числе особо ценных щелочных и светложгущихся разностей. В нашей стране представителями этого типа являются уникальное Огланлинское месторождение щелочных и светложгущихся бентони­тов в Туркмении, Гумбрийское в Грузии, Ханларское в Азербайд­жане, Азкамарское в Узбекистане, Камалинское в Красноярском крае, небольшое Пыжевское на Украине и др. Из зару­бежных особенно известны Вайомингское месторождение высоко­сортных щелочных бентонитов в США и аналогичная ему по ка­честву группа месторождений в районе поднятия Блек-Хиллс на территории штатов Вайоминг, юго-восточной части Монтана и за­падной части Южная Дакота.

Вулканогенно-осадочные бентониты в большинстве случаев отличаются светлой окраской, среди них встречаются и чистые белые разности. Они характеризуются раковистым изломом, часто однородной массивной структурой. Щелочные разности сильно набухают в воде, образуя тиксотропную массу. Обычно они со­стоят на 70 – 90% из монтмориллонита, характеризующегося вы­сокой степенью кристаллического совершенства. В качестве при­месей содержатся смешаннослойные минералы, гидрослюды, хло­рит, цеолиты, кристобалит. В химическом отношении характеризуются повышенным содержанием SiО2 (в среднем 65%). Количество А12О3 обычно 12 – 17%. Содержание красящих окислов (Fe2О3 – FeO, TiО2) – 4 – 5%, но иногда сни­жается до 1,5% .

Вулканогенно-осадочные месторождения формировались пу­тем гальмиролиза – подводного преобразования вулканических пеплов и другого пирокластического материала. Качество и чисто­та образуемых бентонитов определяются составом исходного ма­териала и характером среды водоема, в котором происходило осаждение и преобразование этого материала.

Вулканогенно-осадочные месторождения бентонитов в зависи­мости от характера среды осадконакопления отчетливо подразде­ляются на два подтипа: морской и континентальный – озерный. В процессе многолетних исследований авторы установили, что в морском подтипе наряду с другими разновидностями формиру­ются щелочные и светложгущиеся бентониты, в то время как в континентальных – озерных условиях образуются только щелоч­ноземельные и при этом, как правило, более темноцветные раз­ности.

Преобладающая часть вулканогенно-осадочных месторожде­ний бентонитов формировалась на дне морских водоемов за счет разложения вулканического стекла, источником которого служили подводные извержения, а также извержения вулканов на побережье и островах. Морская щелочная восстановительная среда особенно благоприятна для преобразования пеплов в монтмориллонит. Постоянное содержание в морской воде соединений натрия с наличием избыточных щелочей в исходном материале создает возможность образования именно натриевых бентонитов [1].

Наиболее тонкодисперсные разности бентонитов образуются по пеплам, занесенным в морской водоем воздушным путем. В процессе воздушной транспортировки пирокластического материала наиболее грубые частицы и тяжелые темноцветные минералы (железистые и другие) выпадают вблизи от очагов извержения, а наиболее мелкие, легкие и светлые частицы (обедненные рудными минералами) – вдали, на расстоянии сотен километров от них. Вот эти удаленные от вулканических аппаратов участки скопления пеплов в морских водоемах и были наиболее благоприятными для образования светлых маложелезистых бентонитов.

Из пеплов и других пирокластических продуктов, выпавших на сушу и снесенных оттуда вместе с другими разнообразными по составу терригенными материалами в морской или пресноводный водоем, могли быть образованы лишь более грубодисперсные, как правило, щелочноземельные ожелезненные серо-зеленые разности бентонитов. Теоретически натриевые монтмориллонитовые глины могут образовываться в щелочных содовых озерах. Однако промышленные скопления щелочных бентонитов такого типа в мировой практике не зарегистрированы. Все известные месторождения вулканогенно-осадочных бентонитов, формировавшиеся в континентальных – озерных условиях, содержат щелочноземельные, реже смешанные по составу бентониты.

Из зарубежных представителей континентального пресноводного подтипа – месторождение кальциевых бентонитов Сандерс-Дефайанс в штате Аризона в США, где отмечаются постепенные переходы от чистых гомогенных монтмориллонитовых глин до песчаниковидных мучнистых туфов.

К континентальному подтипу относятся также недавно откры­тые небольшие месторождения бентонитов Тель-Хаджар и Рагадан в северо-восточной части Сирии, расположенные в краевых подвижных частях Аравийской платформы. Мощность бентонитовых пород 7 – 10 м, а содержание в них монтмориллонита 70 – 80%.

К пресноводному континентальному подтипу относится место­рождение магний-кальциевого бентонита Харпер-Хиллс в Север­ном Кентербери (Новая Зеландия), образовавшееся в пресном озере в миоценовую эпоху в результате изменения пепла базаль­тового состава. Благодаря последнему обстоятельству примерно 40% монтмориллонитовых минералов представлено нонтронитом; содержание Fe2О3 в бентоните 14,5%. Бентониты неразбухающие.

Вулканогенно-осадочные месторождения бентонитов характеризуются
пластовой формой залегания, мощность пластов изменяется от первых десятков сантиметров до 5 – 10 м, редко более. Запасы месторождений обычно мелкие или очень мелкие, реже средние и крупные.
1.3 Терригенно- и коллоидно-осадочные месторождения
К этому типу относится большая группа месторождений щелочноземельных бентонитов кальциево-магниевого и магниево-кальциевого состава. К ним принадлежат известные отечественные месторождения формовочных и адсорбционных бентонитов: Черкасское на Украине, Биклянское, верхнее Нурлатское, Тарн-Барское, Смышляевское в Поволжье, Любинское в Западной Сибири, Подсиньское в Восточной Сибири и др. Среди зарубежных – месторождения формации Портерс-Крик в США, группа экономически важных месторождений в Японии, в Южной Добрудже в Румынии и др. Осадочные бентониты характеризуются почти повсеместно темной окраской – серо-зеленой, коричневой, темно-серой и поч­ти черной. Они имеют раковистый или землистый излом, в воде распускаются без заметного набухания. При высыхании плотные разности становятся камнеподобными, а слоистые – растрескива­ются.

В минералогическом отношении бентониты состоят на 60 – 70% из Са-Mg-монтмориллонита, характеризующегося низкой и средней степенью кристаллического совершенства. В качестве примесей в них присутствуют смешаннослойные минералы, гидро­слюда, палыгорскит, реже каолинит и аллофан. В химическом отношении они характеризуются повышенным содержанием Аl2О3 (20%), Fe2О3 (4,5%) и потерь при прокаливании (8,5%). Содер­жание Na2О низкое, обычно измеряется долями процента.

В общем виде процесс формирования осадочных бентонитов сводится к переотложению и диагенетическому изменению про­дуктов выветривания изверженных, метаморфических и осадоч­ных пород суши и раскристаллизации их коллоидно-дисперсных продуктов.

В зависи­мости от характера среды бассейнов седиментации осадочные месторождения, так же, как и вулканогенно-осадочные, отчетливо подразделяются на два подтипа: морской и континентальный. Лучшим качеством отли­чаются месторождения, образованные в морских условиях. Ще­лочная среда морских водоемов (рН 7 – 9), к которым приуроче­на преобладающая часть месторождений, благоприятствует пре­образованию хлоритгидрослюдистых продуктов выветривания и раскристаллизации гелей в монтмориллонит, то есть способствует обогащению обломочного монтмориллонитсодержащего глинисто­го осадка хемогенным монтмориллонитом. А в кислой среде происходит разубоживание уже принесенного монтмориллонитового осадка вследствие деградации и последующей каолинитизации [1].

Примером зарубежных осадочных месторождений морского подтипа являются месторождения США, расположенные на территории прибрежных равнин Атлантического океана и Мексиканского залива. Это, в частности, залежи бентонитов формации Портер-Крик в штатах Миссури, Иллинойс, Теннеси и Миссисипи, а также глины округа Туиггс в штате Джорджия. Залежи глин отличаются большой мощностью, выдержанностью по простиранию на огромных площадках, но нередко характеризуются невысоким качеством из-за присутствия примесей песчаного и гидрослюдистого глинистого материала. Пласты отличаются большой однородностью.

Представителями осадочного пресноводного подтипа в нашей стране служат месторождения щелочноземельных бентонитов: Любинское в Западной Сибири, Подсиньское в Восточной Сибири; Зырянское в Курган­ской области и др. Все они формировались в озерных пресноводных водоема, в восстановительной слабо щелочной или нейтральной среде с рН 7 – 8. Бентониты этих месторождений характеризуются относительно невы­соким качеством, пониженным содержанием монтмориллонита (в среднем 60 – 70%), относительно большей примесью песчаноалевритового материала, чем в бентонитах морского подтипа. К тому же они иногда отличаются повышенной известковистостью. Тем не менее, описываемые бентониты являются кондицион­ным формовочным сырьем, а также могут быть использованы для производства буровых растворов, высокосортного керамзита и т.д.
1.4 Элювиальные месторождения
К этому типу относятся месторождения бентонитов, образо­ванные путем глубокого субаэрального выветривания и физико-химического изменения интрузивных, эффузивных и осадочных пород. Таким путем могут быть сформированы залежи щелочно­земельных бентонитов, их железистых разностей – нонтронитов, реже маложелезистых светлых разновидностей щелочноземель­ного и смешанного состава. Из зарубежных к описываемому типу относятся небольшие месторождения: Петровац-на-море в Югославии, Карлополис в Бразилии и др.

В нашей стране бесспорно элювиальных месторождений бентонитов пока не известно. Проявления же подобных глин известны во многих районах страны. В европейской части они зарегистрированы в пределах Украинского щита и в Среднем Побужье в древних и мезозойских корах выветривания по основным и ультраосновным изверженным породам, в Придне­стровье в корах выветривания по протерозойским эффузивным породам, в центральной части Русской платформы в доэйфельских корах выветривания по кристаллическим породам архейско-протерозойского возраста. Иссле­дованиями последних лет элювиальные бентониты выявлены на Южном и Среднем Урале, в Казахстане, на Алтае, юге Сибирской платформы и ряде других мест. Неко­торые из этих месторождений представляют несомненный практи­ческий интерес, большинство же, как показали ис­следования, не отличаются чистотой и имеют обычно небольшую мощность, редко измеряемую метрами.

В процессе вы­ветривания из коренных пород, прежде всего, выносятся наиболее подвижные компоненты: щелочи, щелочные земли и закислые соединения железа. Поэтому конечные продукты выветривания состоят из силикатов с низким содержанием растворимых осно­ваний или же из гидратов полуторных окислов.

Монтмориллонитовые и монтмориллонитсодержащие горизонты, представляющие интерес для поисков бентонитового сырья, приуроче­ны к средней и частично к переходной и нижней (корневой) зо­нам – зонам конечной гидратации и выщелачивания профилей кор выветривания. Верхняя зона последних – зона окисления и конечного гидролиза уже представлена каолинитовыми, галлуазитовыми и охристыми гли­нистыми образованиями, а также железняками.

Формирование элювиальных бентонитов, как и других полез­ных ископаемых, связанных с корами выветривания, определя­ется в основном тремя факторами: составом исходных материн­ских пород, климатом и тектоникой. Тектоника района определяет рельеф, глубину профиля выветривания и возможность фор­мирования коры выветривания. Важное значение имеет климат, определяющий соотношение физической и химической форм раз­ложения материнских пород, а также характер вновь образуемых минералов. Для образования и устойчивого сохранения монтмо­риллонита благоприятен гумидный – умеренный и теплый влажный климат. Значительную роль играет также время – про­должительность процесса выветривания.

По составу материнских пород, послуживших исходным мате­риалом для формирования, элювиальные бентониты подразделяются на три подтипа: по интрузивным породам, по эффузивным породам, по осадочным по­родам.

Для формирования месторождений бентонитов по интрузивным породам наиболее благоприятны ультраосновные, реже основные породы (серпентиниты, пироксениты и др.) богатые соединениями железа и магния. По ним образуются нонтронитовые глины – железистые щелочноземельные бентониты. Примерами таких месторождений являются Сахаринское и другие на Южном Урале.

Из эффузивных наиболее благоприятны для формирования элювиальных бентонитов кислые, реже основные породы (липариты, андезит-липариты и андезиты). По ним образуются светлые маложелезистые щелочноземельные и смешанные бентониты. Примером может служить Усть-Маньинское проявление на восточном склоне Северного Урала.

И, наконец, третий элювиальный генетический подтип формируется за счет выщелачивания осадочных карбонатно-глинистых пород (мергелей, известковистых глин). К нему относится Разгонское месторождение формовочных щелочноземельных бентонитов в Иркутской области.

Бентониты элювиального типа характеризуются рядом специфических признаков. Обычно они пестроцветные, по основным и средним породам – светлые, по кислым (редко) – белые. Содержание монтмориллонита (по ультрабазитам) в среднем 70 – 75%, редко выше. Степень кристаллического совершенства его низкая. Бентониты, образованные по ультрабазитам, отличаются в среднем повышенным содержание Fe2О3 (до 21%), MgO (до 8%), Ni и Со, а по средним и кислый породам – относительно повышенным количеством Na2О (до 2,5%) [1].

Форма месторождений линзообразная и карманообразная, мощности толщ обычно измеряются первыми единицами метров, площадь распространения – десятками квадратных километров. Запасы мелкие и очень мелкие, редко средние.
2 Химико-минеральный состав
Необходимо установить минералогические, химические, физиче­ские и технологические особенности бентонитов каждого генети­ческого типа для того, чтобы определить возможные пути их ис­пользования, а также выявить возможности определения генети­ческого типа бентонита по совокупности его химико-минералогиче­ской, физико-технической и технологической характеристик.

По количественному содержанию главнейших окислов бентони­ты характеризуются в средних значениях следующим нисходящим рядом: SiО2 > А12О3 > Fe2О3 > MgO > СаО > K2О > Na2О. Зна­чительные колебания химического состава бентонитов согласуются с генетическими представлениями, поскольку формирование их по источнику материала и по способу обра­зования было неодинаковым.

Близки между собой по химическому составу бентониты гидротермальные и вулканогенно-осадочные (по эффузивным породам), а также бентониты осадочные и элювиальные по интрузивным и осадочным породам. Первые из них содержат больше SiО2, СаО, MgO, MnO, Na2О, причем Na2О примерно в 3 раза больше, тогда как A12О3, Fe2О3, FeO, К2О меньше. Хими­ческий состав железистых монтмориллонитов (нонтронитов) пред­ставлен в основном четырьмя окислами: SiО2 46%; Fe2О3 20%; А12О3 11%; MgO 8%. Кроме того, они характеризуются присут­ствием MnO, CrО3, NiO и др.

Железо, как в естественных бентонитах, так и в пелитовых фракциях присутствует в основном в форме Fe3+, являясь состав­ной частью труднорастворимых силикатов, а также железистых минералов. Содержание Fe3+ и Fe2+ в естествен­ных образцах мало отличается от такового в пелитовых фракциях (равно как и молекулярные отношения SiО2:Fe2О3), поэтому можно счи­тать, что часть глинозема замещена окисью железа, притом в зна­чительной степени в пелитовой фракции. Следовательно, труднорастворимое силикатное железо связано с глинисты­ми минералами. Железо в бентонитах встречается в различных формах (табл. 2). Если говорить о связи железа с глинистыми минералами, то они осуществляются путем изоморфных замеще­ний в кристаллической решетке монтмориллонита, например А13+ на Fe2+, с одной стороны, и в виде тонких и устойчивых пленок минералов группы железа, расположенные на поверхности глини­стых частиц – с другой.

Данные химиче­ского анализа дают также общую характеристику сырья, они часто используются как признаки, определяющие качество бентонита. Например, формовочные глины по содержанию сульфидной серы и некоторых окислов регламентируют группу вредных примесей и др. По сравнению с естественными образцами химический состав мелкопелитовой фракции бен­тонитов отличается пониженным содержанием SiО2, FeO, CaO, MgO, К2О и повышенным А12О3, Fe2О3, Na2О (табл. 2). Молекулярные отношения (SiО2:A12О3) в среднем 5 при колеба­нии 4,8 – 5,5 в гидротермальных и вулканогенно-осадочных бенто­нитах и 3 – 5,9 в осадочных и элювиальных, что характерно для бентонитов.

Бентониты должны содержать не менее 60% минералов монтмориллонитовой группы, остальные 40% примесей: гидрослюда, смешанослойные образования, каолинит, палыгорскит и др. [3]. Из не­глинистых минералов обычно присутствуют цеолиты, кристобалит, кварц, полевые шпаты. Изучение минерального состава бентонитов разных генетических типов выявило различие, как в содержании породообразующего минерала, так и в количестве и качестве при­месей (табл. 2).

Наиболее высокое содержание монтмориллонита наблюдается у гидротермально-метасоматических и вулканогенно-осадочных бентонитов. Монтмориллонит может быть как щелочным, так и щелочноземель­ным; в небольших количествах могут присутствовать смешанослойные минералы, гидрослюды, каолинит, цеолиты, полевые шпаты.
Таблица 2 – Усредненный минеральный состав бентонитов (в %) [1].


Генетический тип

Разновидность монтмориллонита

Примеси

Щелочной

Щелочно­земель­ный

Каолинит

Гидро­слюда

Смешаннослойные образова­ния

Гидротермально-метасоматический

Вулканогенно-осадочный

Вулканогенно-осадочный

Терригенно- и коллоидно-оса­дочный

Элювиальный

85
85









65

65
70

5
5

5 – 15

15
10

5
5

5 – 10

10
5

5
5

5 – 10

10
15


В элювиальных бентонитах содержание монтмориллонита мень­ше, соответственно больше примесей, особенно смешаннослойных образований; в них имеются, в зависимости от материнских пород, минералы никеля, кобальта, железа, титана, кальцит, доломит и др.

Терригенно- и коллоидно-осадочные бентониты имеют содержа­ние монтмориллонита минимальное, едва позволяющее им назы­ваться бентонитами. Монтмориллонит щелочноземельный. Содержание примесей – смешаннослойных образо­ваний, каолинита, гидрослюд – высокое; присутствуют также опал, аллофан.

Таким образом, бентониты разных генетических типов различи­мы по минеральному составу. Но могут быть и отклонения от этой схемы как по содержанию монтмориллонита, так и по содержанию примесей. В частности, щелочноземельные монтмориллониты встре­чаются во всех типах, кроме того, содержание породообразующего монтмориллонита может сильно варьировать по разным причинам. Поэтому необходимо рас­сматривать сами минералы монтмориллонитовой группы в бентони­тах.

Минералы монтмориллонитовой группы в зависимости от изо­морфных замещений подразделяются на диоктаэдрические (монт­мориллонит, бейделлит, нонтронит) и триоктаэдрические (сапонит, гекторит) виды [1].
Монтмориллонит – Al3.33Mg0.67(Si8О20)(OH)4 + 0,67Na

Бейделлит – (Si7.33Al0.67)(Al4)O20(OH)4

Нонтронит – (Si7.33Al0.67)(Fe4)O20(OH)4

Сапонит – Mg6(Si7.33Al0.67)O20(OH)4 + 0,33Ca


3 Структура бентонитовых глин
3.1 Общие сведения о структуре глинистых минералов
Атомная структура обычных глинистых минералов доста­точно детально изучена многочисленными исследователями, ра­боты которых основываются на обобщениях Паулинга [4].

Атомная структура большинства глинистых минералов сло­жена двумя единицами. Одна структурная единица состоит из двух слоев плотноупакованных кислородов или гидроксилов, в которых атомы алюминия, железа или магния расположены в октаэдрической координации таким образом, что каждый из них находится на равном расстоянии от шести кислородов или гидроксилов (рис. 2). В случае заполнения октаэдрических позиций алюминием, чтобы сбалансировать структуру, пред­ставляющую собой структуру гиббсита А12(ОН)6, заполнены должны быть только две трети возможных позиций. В случае магния, чтобы сбалансировать структуру, представляющую со­бой структуру брусита Mg3(OH)6, необходимо заполнение всех возможных позиций. Нормальное расстояние между атомами кислорода составляет 2,60 Å, а между гидроксилами обычно около 3 Å. Однако в этой структурной единице расстояние ме­жду гидроксилами равно 2,94 Å, а пространство, доступное для атома в октаэдрической координации, составляет около 0,61 Å. Толщина этой структурной единицы в структурах глинистых минералов равна 5,05 Å.



Рисунок 2 – Схематическое изображение отдельного октаэдра (а) и октаэдри­ческой сетки структуры (б).

Вторая структурная единица образована кремнекислородными тетраэдрами. В каждом тетраэдре атом кремния оди­наково удален от четырех кислородов или гидроксилов, распо­ложенных в форме тетраэдра с атомом кремния в центре, чтобы сбалансировать структуру. Кремнекислородные тетраэдры сгруппированы таким образом, что создают гексагональную сетку, которая бесконечно повторяется и образует лист состава Si4О6(OH)4 (рис. 3). Тетраэдры расположены так, что все их вершины обращены в одну сторону, а основания лежат в одной и той же плоскости (здесь могут быть исключительные случаи, в которых некоторые тетраэдры перевернуты). Эту струк­туру можно рассматривать как структуру, состоящую из пер­форированной плоскости кислородных атомов, расположенных в плоскости основания тетраэдрических групп; плоскости ато­мов кремния с атомами кремния, расположенными в полости в месте соединения трех атомов кислорода и, следовательно, образующими гексагональную сетку; плоскости атомов гидроксила, в которой каждый гидроксил расположен непосред­ственно над кремнием на вершине тетраэдров. Открытую гекса­гональную сетку можно рассматривать как сетку, образованную тремя нитками атомов кислорода, пересекающимися под уг­лом 120°. Расстояние между атомами кислорода в листах крем­некислородных тетраэдров составляет 2,55 Å, а пространство, доступное для атома в тетраэдрической координации, около 0,55 Å. Толщина этой структурной единицы в структуре глини­стых минералов равна 4,93 Å [4].



Рисунок 3 – Схематическое изображение отдельного кремнекислородного те­траэдра (а) и сетки кремнекислородных тетраэдров (б).
Сложный характер структур глинистых минералов определяет­ся простыми геометрическими соотношениями между гексагональной кремнекислородной сеткой и слоем гидроксилов или слоем молекул воды. Кремнекислородная сетка является достаточно жесткой и определяет пластинчатый характер и размеры параметров а и b всех подобных минералов. Вершины тетраэдров этой сетки составляют часть гидроксильного слоя между отдельными кремнекислородными сет­ками. Основания тетраэдров также могут примыкать к слою гидроксилов или молекул воды. Благодаря этому возникает бесчисленное множество различных путей соединения слоев друг с другом. Вышеописанные струк­туры отвечают определенным типам упаковки слоев, характеризующимся, по крайней мере, некоторыми элементами упорядоченности. Несовершенство таких структур, несомненно, определяется их способностью легко поглощать или выделять воду, а также их ионообменными свойствами. В совершенных структурах атомам для изменения своих положений необходимо преодолеть определенный энергетический барьер. В несовершенных структурах величина этого барьера может принимать различные, в том числе и близкие к нулю значения, и переста­новка атомов осуществляется без особых затруднений.

3.2 Смешанослойные минералы
Чаще всего в природе встречаются двухкомпонентные смешанослойные образования, со­стоящие из переслаивания диоктаэдрических или триоктаэдрических па­кетов. К диоктаэдрическим разновидностям относятся сочетания из 1:1 неразбухающих и 2:1 разбухающих, 2:1 неразбухающих и разбухающих, 2:1:1 (2:2) неразбухающих и 2:1 разбухаю­щих пакетов. Триоктаэдрические разновидности представлены со­четанием 2:1 неразбухающих и разбухающих, 2:2 неразбухаю­щих и 2:1 разбухающих пакетов, а также переслаивания 2:2 раз­бухающих и неразбухающих пакетов различного типа. Кроме того, среди сочетаний 2:1 слоев различного типа выделяются ди-три-октаэдрические разновидности [5].

Минералы со структурой типа 2:1 по характеру межслоевых комплексов могут быть подразделены на три группы [6].

Первая группа – межслоевое пространство не запол­нено никакими катионами или молекулами; минералы не обра­зуют изоморфных серий, изоморфных замещений в структуре среди катионов нет; имеет два широко распространенных представителя: диоктаэдрический – пирофиллит, триоктаэдрический – тальк.

Вторая группа – в межслоевом пространстве в жест­кой (двенадцатерной или шестерной) координации располагают­ся крупные катионы (К+, Na+), которые компенсируют дефицит в положительных зарядах, возникший при изоморфных замеще­ниях главным образом Si4+ на А13+ в тетраэдрической сетке. Межслоевое пространство стабильно. К этой группе минералов относятся многочисленные разновидности диоктаэдрических и триоктаэдрических слюд и гидрослюд.

Третья группа – межслоевое пространство заполнено катионоводными комплексами, состоящими из гидратированных катионов, способных к обмену, и молекул воды, уложенных в слои толщиной от одной до четырех и более молекул; здесь легко могут размещаться молекулы органических соединений разнообразных форм и размеров. Межслоевое пространство способно изменять размеры нормально к базисной плоскости в широких пределах. К этой группе минералов относятся много­численные изоморфные ряды и разновидности диоктаэдрических и триоктаэдрических монтмориллонитов (смектитов) и верми­кулитов.
3.3 Структура монтмориллонитовых слоев
Монтмориллонит – тонкодисперсный минерал белого, иногда розоватого или зеленоватого цвета. Кристаллохимическая фор­мула идеальных диоктаэдрических смектитов имеет вид Si8Al4О20(OH)4 nH2О, что отвечает следующему среднему хими­ческому составу (в %): SiО2 66,7; А12О3 28,3; Н2О 5. Однако состав природных монтмориллонитов всегда отличается от тео­ретического состава вследствие изоморфных замещений крем­ния в тетраэдрической сетке на алюминий и алюминия в октаэдрическом слое на железо, магний, литий [7].

Монтмориллониты – это глинистые минералы, обра­зующие очень маленькие и несовершенные кристаллы. Их структура весьма близка к структуре пирофил­лита и талька и характеризуется беспорядочной упаковкой слоев (рис. 4). Вода в структуре монтмориллонита располагается между талькоподобными силикатными слоями. Кроме воды, в структуре монтморил­лонита имеются обменные катионы, располагающиеся между силикатны­ми слоями, которые обладают некото­рым отрицательным зарядом [2].

Монтмориллонит Al3.33Mg0.67(Si8О20)(OH)4 + 0,67Na

Пирофиллит Al4(Si8О20)(OH)4

Тальк Mg6(Si8O20)(OH)4


Рисунок 4 – Структура монтмориллонита вдоль оси а

Слои беспорядочно наложены друг на друга. Содержание магния в монтмориллоните изменяется от 1 до 2/3 атома Mg на слой в элементарной ячейке (содержащей 4 иона шестерной координа­ции). Октаэдрические положения в схеме заселены упорядоченным образом; истинное их распределение может быть менее упорядо­ченным.
Согласно Россу и Хендриксу, количество катионов, находящихся в октаэдрических положениях силикатного каркаса, колеблется от 4,00 до 4,44 Å и от 5,76 до 6,00 Å. Следовательно, существует два различных типа монтмориллонитов – диоктаэдрические и триоктаэдрические, соответствующие пирофиллиту и тальку [8].

Силикатный слой обладает некоторым отрицательным зарядом в том случае, если входящий в него октаэдрический алюминий частично заме­щается на магний или же некоторое количество кремния замещается на алюминий. Отрицательный заряд нейтрализуется положительными катионами, располагающимися между слоями.

Анализ последовательных стадий гидратации монтмориллонита, прослеживаемых по величине параметра с, указывает на то, что между сили­катными слоями может располагаться 0, 1, 2, 3 или 4 слоя молекул воды.

Связь между структурными слоями монтмориллонита осуще­ствляется за счет молекулярных сил и катионов, находящихся в межслоевом пространстве. Однако эта связь оказывается не­достаточной, чтобы противостоять гидратации межслоевого про­странства, поэтому структура монтмориллонита обладает внутрикристаллическим набуханием. Вследствие внутрикристаллического набухания межплоскостное расстояние в структуре монтмориллонита может изменяться в больших пределах в за­висимости от влажности и состава межслоевого комплекса. Так, в воздушно-сухом состоянии Ва+ –, Na+ – и Li+ – формы монтмориллонита имеют межплоскостные расстояния близкие к 12,4 Å, а Са2+ – и М2+ – формы – близкие к 15,5 Å.

Исследования, проведенные Б. Б. Звягиным [7], позволили сде­лать вывод, что наложение структурных слоев у монтморилло­нита идет без какой-либо периодичности в направлениях осей a и b. Это приводит к образованию моноклинной структуры, па­раметры элементарной ячейки которой зависят от химического состава и степени гидратации межслоевого пространства.

Под электронным микроскопом обычно наблюдаются не от­дельные частицы монтмориллонита, а их ультрамикроагрегаты и микроагрегаты, размер и морфология которых в значительной степени зависят от состава обменных катионов. Так, Na+ монтмориллониты дают на микрофотографиях сплошной серый фон различной плотности, на котором едва выделяются контуры отдельных частиц. Размер первичных частиц в этом случае не превышает 30 нм. Монтмориллониты, содержа­щие катион кальция в обменном комплексе, дают другую картину: частицы образуют крупные, плотные микроагрегаты различной конфигурации, часто с четкими контурами. Удельная поверхность монтмориллонита исключительно велика: она составляет обычно 700 – 840 м2/г. При этом удельная поверхность внешних граней кристаллов равна 50 – 120 м2/г, а остальная поверхность формируется за счет внутрикристаллических плоскостей, доступных для смачивания водой или другими полярными жидкостями [7].

4 Свойства бентонитов
4.1 Химические и структурно-механические свойства бентонитов
Химические и структурно-механические свойства бентонитов и особенности его строения зависят главным образом от степени упорядоченности кристаллической структуры, количества замещенных катионов в слое, характера межслоевого комплекса. Определенную роль в проявлении свой­ств играет также природа обменных катионов.

Очень важным свойством бентонитовых глин является способность к самодиспергации. В процессе диспергации возможно возникновение незавершенных структурных элементов, которые можно рассматривать как вариант наночастицы или своеобразный плейтлет. Элементарные плейтлеты имеют размеры от нескольких десятков до нескольких сотен Нм шириной и длиной, и от 1 до 1,5 Нм толщиной. Точная толщина зависит от числа адсорбированных молекул воды. Элементарные плейтлеты несут отрицательный заряд, величина которого в значительной степени определяется изоморфными замещениями в октаэдрическом и тетраэдрическом слоях. Заряд нейтрализуется обменными катионами с одним или двумя одноименными слоями воды, расположенными в межслоевом пространстве между элементарными плейтлетами.

Группы элементарных плейтлетов образуют глинистую частицу. Если эти частицы погрузить в воду, то вода входит в межслоевое пространство и глинистые частицы набухают. Таким образом, можно трансформировать глинистую частицу, состоящую из ряда более или менее ориентированных элементарных плейтлетов в водную суспензию.

Весьма важным свойством плейтлетов и соответственно глинистых частиц является способность к самоорганизации, при этом суспензии приобретают определенную структуру и переходят в гелевидное состояние.

Для модифицирования поверхности минералов монтмориллонитовой группы достаточно использовать определенные обменные катионы, чтобы в значительной мере изменить свойства их поверхности. Так для повышения гидрофильности такими катионами могут быть Al3+, H+ (кислотная актива­ция, электродиализ), Na+. Гидрофоб­ные материалы можно получить при нормальном насыщении обменной емкости. При ее пересыщении гидрофильность мо­жет достигнуть своих первоначальных (до обработки) зна­чений.

Высокая гидрофильность бентонитовых глин создает предпосылки для развития определенного типа деформационных процессов в разбавленных и концентрированных суспензиях.

Исследования структурно-механических свойств монтмориллонита показывают, что он дает устойчивую разбав­ленную суспензию при концентрации более 38%. Суспензия развивает малые упругие условно-мгновенные деформации и характеризуется наибольшими величинами условного модуля деформации.

При малых добавках электролитов (NaCl, СаСl2) суспен­зии теряют свою устойчивость. При обработке NaOH они характеризуются развитием больших упругих условно-мгновенных деформаций в результате самодиспергации. Уве­личение гидратных оболочек вокруг кристаллов под действием NaOH сопровождается повышением эластических деформаций системы и резким уменьшением пластической прочности структуры с одновременным падением водоотдачи.

Большие изменения претерпевают концентрированные су­спензии (пасты) монтмориллонита при замещении естественного обменного комплекса отдельными неорганическими катионами. Пасты гомоионных модификаций монтмориллонита с концентрацией последнего, соответствующей оптимальному развитию гидратных оболочек вокруг кристаллов, по энергии связи между частицами располагаются в следующий ряд: Al3+ > Mg2+ > Ca2+ > H+ > K+ > Na+ [3].

Развитие высокой энергии связи между частицами монтмо­риллонита обусловливается образованием коагуляционной структуры по типу «карточный домик», благодаря активному взаимодействию краевых частей кристаллов с поверхностью их базисных граней. Наибольшую прочность имеет структура, когда на краях частиц находится более или менее ясно выраженный положительный потенциал. Наибольшая его величина установлена для монтмориллонита в при­сутствии алюминиевых солей, поэтому А13+ – модификация обладает самой высокой энергией связи благодаря наиболее прочному коагуляционному сцеплению частиц через тонкие оста­точные прослойки сольватных оболочек посредством сил электростатического взаимодействия.

Характерно, что гидрофильность, ионообменная способность и структурно-механические свойства значительно менее чувст­вительны к степени дисперсности кристаллов, чем к аномалиям в их строении, т. е. нестехиометрическим замещениям, неупоря­доченности структур, характеру межслоевого комплекса. Более того, эти свойства имеют минимальные значения для структуры, в которой нет указанных несовершенств строения (пирофиллит), даже если степень дисперсности будет того же порядка, что и для неупорядоченных структур (монтмориллониты).
4.2 Физические свойства бентонитов
Различия в минеральном составе бентонитов и в структурных и кристаллохимических особенностях породообра­зующего монтмориллонита, порождают, различия и в физических свойствах бентонитов разных генетических типов.
4.2.1 Дисперсность
По гранулярному составу основная масса бентонитов состоит из мелкопелитовых частиц. Средневзвешенное содержание их по­степенно уменьшается от бентонитов гидротермального к элюви­альному типам. Так, более тонкодисперсны гидротермальные (62,3%), затем вулканогенно-осадочные (56,9%), далее терригенно- и коллоидно-осадочные (49,9%) и, наконец, элювиальные (39,2%) бентониты. Содержание предколлоидных и коллоидных частиц, в общем, подчеркивает отмеченную закономерность – умень­шение содержания их в бентонитах названных генетических типов. Наиболее качественные бентониты щелочного и смешанного состава, по сравнению со щелочноземельными, содержат в 1,5 раза больше коллоидных частиц. Алевритовые зерна в среднем для всех типов бентонитов не превышают 15%, а песчаные – 4% массы породы. Это позволяет отнести бентониты к слабоалевритовым и тонко­дисперсным разностям [1].

В генетическом отношении можно оказать, что в процессе обра­зования бентонитов происходит формирование их гранулярного и минерального состава, которые обусловливают друг друга. Чем больше в породе монтмориллонита, тем выше ее дисперсность. Это хорошо иллюстрирует тот факт, что практически мономинеральные бентониты являются вместе с тем монодисперсными.
4.2.2 Средняя плотность и пористость
Бентониты, как и любые глины, являются трехкомпонентной си­стемой, состоящей из минерального скелета, воды и воздуха. Ми­неральные частицы бентонитов занимают лишь часть объема (55 – 68%), остальную часть объема составляют поры, заполненные во­дой, и небольшое количество (2%) воздуха.

Плотность бентонитов изменяется в среднем от 2,66 до 2,84 г/см3, постепенно увеличиваясь от гидротермально-метасоматических до элювиальных, что связано с увеличением содержа­ния железа. Более значительны колебания средней плотности ске­лета 1,58 – 1,86 г/см3, а при естественной влажности 1,75 – 2,02 г/см3 [1].

Изменения средней плотности бентонитов зависят от плотности частиц, слагающих их. Повышение плотности бентони­тов связано, кроме железа, с минералами-примесями, например с хлоритом, гидромусковитом, карбонатами кальция и магния, тя­желыми терригенными и аутогенными минералами. Чем больше в бентонитах минералов монтмориллонитовой группы, а также органических веществ, тем меньше будет их плотность.

В средних значениях бентониты характеризуются как среднепористые породы. Коэффициент пористости их колеблется в преде­лах от 0,48 до 0,80, а у железистых монтмориллонитов до 1 в среднем составляет 0,55. Соответственно изменяются и значения естественной пористости.

Пористость различных в генетическом отношении бентонитов неодинакова. Она отображает колебания гранулярного и минераль­ного составов пород. Там, где больше содержится мелкопелитовых частиц, всегда больше породообразующего монтмориллонита и в соответствии с этим изменяется пористость. В рассматриваемом случае наибольшая пористость (44,4%) присуща элювиальным бен­тонитам. Близкими значениями пористости характеризуются осадоч­ные (32,4%) и вулканогенно-осадочные (34,2%) бентониты. Гидро­термальные бентониты обла­дают пористостью в среднем 32,9%.

Несмотря на значительную пористость, бентониты всех типов обладают переуплотненностью, коэффициент уплотненности их везде превышает 1 и в среднем равен 1,4.

При анализе изменения пористости в зависимости от уплотнен­ности бентонитов необходимо учитывать, что породы за время своего существования значительно уплотнились под влиянием внешних нагрузок, дегидратации, цементации скелета и других факторов диагенеза.

Приблизительные значе­ния начальной пористости при уплотнении бентонитов гидротер­мального типа составляют 81,0%, тогда как в остальных типах 65,6 – 67,3%. В процессе окаменения эта первоначальная пори­стость сократилась почти в 2 раза в гидротермальных, в вулканогенно-осадочных и осадочных бентонитах и в 1,5 раза в элювиаль­ных бентонитах. Процесс уменьшения пористости сопровождался уменьшением мощности бентонитов по сравнению с их первона­чальной мощностью. Так, степень сжатия слоя для гидротермаль­ных бентонитов в среднем равна 69%, тогда как для вулканогенно-осадочных 48%, осадочных 52% и элювиальных 38%. Харак­теристика первоначальной мощности пород при пористости, отве­чающей верхнему пределу пластичности, в среднем составляет у гидротермально-метасоматических бентонитов 322%, у вулканогенно-осадочных 192%, осадочных 207%, элювиальных 162%. Все вышеизложенное объясняет высокие показатели уплотненности, которые при повышенной пори­стости имеют значения более 1 (переуплотненные бентониты) [1].
4.2.3 Пластичность
Повышенная пластичность характерна для монтмориллонитовых глин и особенно бентонитов. Так, например, число пластичности уменьшается от гидротермальных (104,7%) до элю­виальных (24,6%) и в среднем составляет 42%. Повышенная пла­стичность бентонитов обусловливается главным образом преобла­данием в их составе мелкопелитовых, в том числе коллоидных ча­стиц, а также спецификой породообразующего монтмориллонита. Присутствие в бентонитах значительного количества кварца, в том числе и в пелитовой фракции, способствует уменьшению пластичности. Это наглядно видно на примере элювиальных бентонитов, содержащих более 30% песчано-алевритовых зерен. Показатели числа и нижне­го предела пластичности у осадочных бентонитов довольно близки между собой. Каждая из этих величин почти вдвое меньше верх­него предела пластичности. Однако у гидротермальных бентони­тов число пластичности почти вдвое больше нижнего предела пла­стичности, а в вулканогенно-осадочных и особенно элювиальных меньше.

Нижний предел пластичности, или граница раскатывания, соот­ветствует влажности, при которой бентонит переходит из пластического состояния в твердое. Эта влажность приблизительно отве­чает значению максимальной молекулярной влагоемкости и потому приобретает важное значение. В этом случае нижний предел пластичности в среднем имеет значение у гидротермально-метасоматических бентонитов – 53,5%, в вулканогенно-осадочных до 39,7%, осадочных до 36,8% и элю­виальных (по осадочным породам) – до 33%. Нижний предел пластичности элювиальных бентонитов по эффузивным породам 50,7%, что приближает их к показателям высококачественных бентонитов, имеющих вулканогенный источник. Таким образом, сопоставление показателей пластичности бентонитов позволяет устанавливать не только существенные отличия их друг от друга, но также давать в первом приближении качественную оценку сырья [1].
4.2.4 Набухаемость
Набухаемость основано на том, что кристалличе­ская решетка монтмориллонита проявляет способность к расши­рению в присутствии жидкости.

В средних значениях набухаемость для гидротермальных бен­тонитов составляет 12,8 раз, вулканогенно-осадочных 8,1 раз, в том числе щелочных разновидностей 10 и щелочноземельных 3 раза. Осадочные и элювиальные бентониты набухают незначительно – в среднем не более чем в 3 раза. Набухаемость, при всем различии показателей не зависит ни от емкости обменных катионов, ни от заряда тетраэдрического слоя кристаллической решетки. Она связана с замещениями катионов в октаэдрах. Чем больше таких замещений, тем выше набухаемость монтмориллонита. Это свойство связывается с диссоциацией монтмориллонита, и чем она выше, тем больше набухаемость. Следовательно, наибольшая на­бухаемость натриевых монтмориллонитов по сравнению с кальцие­выми объясняется наибольшей степенью диссоциации, в результа­те чего большое количество структурных единиц остается с отрица­тельным зарядом [1].

Другим характерным показателем набухаемости является число Enslin – зависимость числа сбрасывания окатышей на стальную плиту от набухаемости бентонита. Этот метод отлича­ется высокой точностью и позволяет оценить качество бентонита. Число Enslin изменяется в ши­роких пределах: у гидротер­мальных бентонитов составляет 320%, вулканогенно-осадочных 290%, осадочных 214% и элювиальных 179%. У высококачествен­ных щелочных бентонитов число Enslin примерно равно 300% [5].

4.2.5 Коллоидальность
Высококаче­ственные набухающие бентониты в среднем обладают коллоидаль­ностью более 85%, гидротермальные 86,2%, вулканогенно-осадочные 98,0%, в то время как ненабухающие бентониты того же гене­тического типа – 40% (морские 35% и континентальные 44,5%). Щелочноземельные бентониты осадочного и элювиального типов характеризуются низкой набухаемостью и коллоидальностью, в среднем не превышающих 25%.

Коллоидальность так же, как и набухаемость, в основном за­висит от степени диссоциации монтмориллонитов. Диссоциация про­исходит под действием молекул воды, которые своими отрицатель­но заряженными полюсами, притягиваясь к обменным катионам, стремятся оторвать их от анионов, находящихся на поверхности коллоидных частиц. Чем выше диссоциация, тем больше коллои­дальность бентонита. Однако эта закономерность действует, как доказал, только в пределах одной и той же валентности и поэтому наиболее ярко проявляется у натриевых бен­тонитов [1].
5 Применение бентонитов
5.1 Строительные пластмассы
Строительные пластмассы – это одно из направлений, где используются бентониты. Добавление даже небольших количеств тонкодисперсной глины может способствовать получению безвредных для окружающей среды и недорогих пластмассовых изделий с улучшенными общими и специализированными физическими свойствами. Добавление глины может сделать пластмассы малопроницаемыми для жидкости и газа. Вместе с тем монтмориллонитовые глины имеют гидрофильную природу и поэтому оказываются технологически несовместимыми с полимерной матрицей. Однако если глина обработана определенным органическим ПАВ, состав, которого позволяет инертной глине лучше смешиваться с полимерами, то она может быть включена в технологическую смесь для получения конечного продукта. В частности гидрофобизируют органическим модификатором. В результате ионного обмена глина насыщается органическим катионом, в качестве которого может быть NH4+ или какой–либо объемный ароматический радикал. Органоглины совместимы с полимерными смесями и могут использоваться в пластмассовом производстве.

Кроме отмеченных выше преимуществ, введение в полимерную матрицу модифицированных глинистых малоразмерных частиц, способствует повышению огнестойкости пластмасс. Размер молекулы вводимого радикала оказывает существенное воздействие на термическую стабильность органоглины и соответственно на термостойкость нанокомпозиционного пластмассового материала.

Кроме повышения термостойкости, введение органоглины способствует улучшению абсорбционных свойств пластмасс, при этом повышается способность пластмассы поглощать вредные газы (газообразные продукты), образующиеся при частичном разложении синтезируемых нанокомпонентов.

Если смесь полимер – бентонит подвергается обжигу, то глина образует слой обожженного силикатного материала на внешней стороне изделия, повышая при этом его прочность и изолирующие свойства.
5.2 Бентонитовые суспензии
Бентонитовые суспензии довольно широко используются при проведении надземных и подземных строительных работ. При использовании глинистых суспензий в строительстве в настоящее время практически не учитываются тонкие детали минерального состава бентонитовых глин. В то же время необходимо учитывать особые свойства плейтлетов, которые участвуют в образовании глинистых частиц. На поверхности плейтлетов заряды распространены неравномерно, в результате чего образуются наноразмерные участки с различной силой взаимодействия. На поверхности в первую очередь будут заполняться те структурные позиции, в которых силы взаимодействия проявляются наиболее сильно. На этой основе могут быть созданы пленки с прочно закрепленным катионом с определенными свойствами. Однако величина поверхностного заряда может быть значительна, в этом случае взаимодействие в системе «молекула – наноразмерный участок поверхности» может оказаться столь велико, что заполнение свободных позиций на поверхности будет носить хаотический характер. В любом случае из рассмотренного выше правила следует, что, подбирая глину с максимальным поверхностным зарядом глинистых частиц и наиболее благоприятным с точки зрения модификации определенным катионом, глинистой частице можно придавать определенную структурную предрасположенность.

Если правильно использовать минералогические особенности глин можно улучшить качество гидроизоляционных покрытий при работах в грунтах с высокой водопроницаемостью. Наиболее простой вариант, когда бентонитовая смесь (суспензия) заливается в траншею или котлован. Через определенное время на поверхности системы «грунт – суспензия» возникает защитная пленка, играющая роль гидроизолятора. Во многих случаях для указанных целей используются бентонитовые глины наиболее низкого качества и без дополнительных модификаций.

В бентонитовых суспензиях используемых для строительных работ потенциально имеются плейтлеты и наноразмерные частицы. Для извлечения максимального эффекта подобные суспензии должны проходить предварительную подготовку в специальных отстойниках.
5.3 Гидроизоляторы
Так как в суспензии глинистые частицы или плейтлеты существуют в виде пленок, методом осаждения возможно создание многослойных пленок с заданными свойствами, например глинистых герметиков. Наиболее широко глинистые герметики применяются при гидроизоляции швов в конструкциях, работающих во влажных грунтах. При использовании пленок в качестве герметиков необходимо учитывать свойства плейтлетов отдельных частиц:

  1. Ввиду неоднородности поверхностного заряда возможна организация определенных катионов на поверхности частиц, то есть наличие специфического взаимодействия обменных катионов на поверхности элементарного глинистого плейтлета и организации их в определенном порядке;

  2. Путем подбора состава и сродства обменных катионов, входящих в межслоевое пространство возможно создание глинистых суспензий с максимальной набухаемостью;

  3. В результате взаимодействия плейтлетов между собой возможно структурирование самой суспензии с образованием гелей с различной величиной тиксотропных свойств.

Учет указанных свойств способствует улучшению качества бентонита, который в настоящее время уже используется в специальных красках, обеспечивающих герметичность шва между отдельными деталями конструкции.
5.4 Строительная керамика
Некоторые разновидности бентонитов издавна использовались как один из главных компонентов строительной керамики различного назначения, например беложгущиеся бентониты Огланлинского месторождения в Туркмении. Высокая поверхностная адсорбция глинистыми частицами некоторых солей может использоваться при создании керамических масс со специальными свойствами, например на этой основе возможно производство прозрачной керамики.
5.5 Буровые растворы
Широкое применение бентониты нашли в нефтебуровых рабо­тах для приготовления глинистых растворов. Техниче­ские условия на глинистое сырье (ГОСТ 3226 – 77 [10]) и на глинопорошки (ТУ 39 – 043 – 74 [11]) предъявляют повышенные требования к бентонитам, которые подразделяются на четыре сорта в порошках, кроме того, выделяется и высший сорт.

Буровые растворы, изготовленные из бентонитов разных гене­тических типов, резко отличаются друг от друга. Плот­ность глинистых растворов у высококачественных щелочных гидро­термальных и вулканогенно-осадочных бентонитов изменяется от 1,04 до 1,15. Выход глинистого раствора из 1 т составляет 9,5 – 15,7 м3/т, а содержание песка 0,6 – 5%. Из данных бентонитов по­лучаются растворы первого сорта. Из бентонитов со смешанным обменным комплексом могут быть по­лучены растворы первого – третьего сортов с выходом 6,3 – 12,6 м3/т. Щелочноземельные бентониты осадочного и элювиально­го типов отличаются низким качеством, из них могут быть получе­ны буровые растворы только четвертого сорта. Плотность раство­ров при этом составляет 1,20 – 1,29, выход раствора 2,2 – 3,2 м3/т, при содержании песка 1,6 – 2,9%. Низко­сортные растворы получаются из элювиальных бентонитов, об­разованных по эффузивным породам, тогда как бентониты, образо­ванные по осадочным породам, для приготовления буровых растворов не пригодны из-за высокого содержания песка [1].
5.6 Производство железорудных окатышей
Принято считать, что натриевые бентониты наиболее пригодны для целей окомкования железорудных концентратов. Качество бентонита как связующей до­бавки определяется их набухаемостью.

Щелочные гидротермально-метасоматические и вулканогенно-осадочные мор­ские бентониты характеризуются высоким каче­ством как связующая добавка для окомкования железорудных концентратов. Щелочноземельные, в том числе и типично кальцие­вые, практически мономинеральные их разновидности в окатышах также ведут себя превосходно. Осадочные бентониты, обладая, как правило, минимальным со­держанием монтмориллонита, для целей окомкования в естествен­ном состоянии не пригодны.

На качество бентонитов как связующей добавки в окомковываемой шихте влияют многие факторы. Основными критериями их качества являются: содержание монтмориллонита > 85%, содержание мелкопелитовых частиц должно быть не менее 50% массы породы [1].
5.7 Литейное производство
В литейном производстве, так же как и в любом другом, строго различаются щелочные бентониты (набухающие) и щелочноземель­ные (ненабухающие). Эти разновидности обладают различной спо­собностью к дегидратации и в связи с этим характеризуются раз­ной долговечностью и прочностью в литейных формах.

Связующие свойства лучше у щелочных бентонитов. Прочность формовочных смесей, приготовленных с ними, изменя­ется от 0,40 до 0,66 МПа в сухом состоянии. Смешанные бентониты придают прочность формовочным смесям в сухом состоянии 0,55 МПа, тогда как кальциевые разновидности 0,44 – 0,50 МПа. Осадочные щелочноземельные бентониты придают прочность формовочным смесям в сухом состоянии 0,40 – 0,70 МПа. Прочность сухих форм с использованием элювиаль­ных бентонитов 0,37 – 0,48 МПа.

Приведенные данные позволяют отнести все исследованные гли­ны к формовочным бентонитам прочно- и среднесвязующим во влажном и сухом состоянии со средним и высоким содержанием вредных примесей.

Исследованные бентониты могут применяться для приготовле­ния форм, для отливки как стального, так и чугунного литья. При этом для стального литья предпочтение отдается щелочным бен­тонитам. Для производства мелкого чугунного литья широко ис­пользуются кальциевые бентониты. Для крупных чугунных отливок рекомендуются натриевые бентониты или смесь обеих разновидностей.

Кальциевый бентонит, кроме того, можно использовать для литья цветных металлов, за исключением спла­вов никеля с высокой температурой плавления.

Заключение
Производство наночастиц из бентонита сложный процесс, основанный на использовании тонких технологий, требующих глубоких научных исследований, а главное знание минералогии бентонита.

Бентонитовая глина является своеобразным полуфабрикатом или основой для промышленного производства наночастиц. Наноматериалы могут изготавливаться и использоваться в виде порошков, пленок, покрытий, а также объемно-структурированных, тонкозернистых соединений. При получении из бентонитовой глины нанопорошков целесообразно осуществлять наноструктурную подготовку в специальных механических активаторах (типа планетарных вибромельниц). Использование бентонита в строительных нанокомпозитах типа пластмасс и специальных суспензий требует разработки технологии получения устойчивых во времени нанопленок с заданными свойствами.

Наноматериалы могут производиться как путем синтеза нового материала, так и путем деформирования материала с известной структурой. Малый размер зерен обуславливает большую протяженность межзерновых границ раздела. Сами же зерна могут иметь различные дефекты, количество и распределение которых иное чем в крупных зернах. Поэтому в настоящее время уменьшение размера зерен рассматривается как эффективный метод изменения свойств твердого тела.

Список литературы


  1. Кир­санов Н.В. Генетические типы и закономерности распростра­нения месторождений бентонитов в СССР / Н.В. Кир­санов, М.А. Ратеев, А.А. Сабитов и др. – М.: Недра, 1981, – 214 с.

  2. Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов / Под ред. Г. Брауна, – М.: МИР, – 1965, – 307 с.

  3. Берри Л.Г. Минералогия / Л.Г. Берри, Б.Г. Мейсон, Р.В. Дитрих, – М.: МИР, – 1987, – 603 с.

  4. Грим Р.Э. Минералогия и практическое применение глин / Р.Э. Грим, – М.: МИР, – 1967, – 264 с.

  5. Котельников Д.Д. Глинистые минералы осадочных горных пород / Д.Д. Котельников, А.И. Конюхов, – М.: Недра, – 1986, – 247 с.

  6. Куковский Е.Г. Особенности строения и физико-химические свойства глинистых минералов / Е.Г. Куковский, – К.: Наукова думка, – 1966, – 128 с.

  7. Осипов В.И. Микроструктура глинистых пород / В.И. Осипов, В.Н. Соколов, Н.А. Румянцева, – М.: Недра, – 1989, – 211 с.

  8. Брегг У.Л. Кристаллическая структура минералов / У.Л. Брегг, Г.Ф. Кларингбулл, – М.: МИР, – 1966, – 389 с.

  9. Сребродольский Б.И. Загадки минералогии / Б.И. Сребродольский, – М.: Наука, – 1987, – 160 с.

  10. ГОСТ 3226 – 77. Глины формовочные. Технические условия.

  11. ТУ 39 – 043 – 74. Глинопорошки для буровых растворов.



Скачать файл (327.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации