Изучение некоторых физико-химических характеристик глины юга Кыргызстана

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

КЫРГЫЗСКИЙ НАЦИОНАЛНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Ж. БАЛАСАГЫНА

Факультет химии и химической технологии

Кафедра неорганической химии и химической технологии

 

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

 Изучение некоторых физико-химических характеристик глины юга Кыргызстана

 

 

 

К защите ___________                                    допущен, не допущен                                                                          Протокол заседания кафедры                                                   №__ от «___»________2015 г Зав. кафедрой____________                             подпись

Выполнила: Студентка IV курса группы  Х-2-11 Майрамбекова  Эльнура Майрамбековна  _______________                                                                                                                           Подпись Научный руководитель: к.х.н., доцент Джусуева М. С. ______________                                          подпись

 

 

 

 

Бишкек 2015

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                               

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ  ОБЗОР                                                                   

1.1. Строение и свойства глинистых минералов………………………………5                          

1.2. Емкость катионного обмена глинистых минералов……………………10

1.3 Термическая стабильность емкости обмена монтмориллонита………..15

1.4 Глины Кыргызстана……………………………………………………….19                                                                                     

1.5 Химический анализ…………………………………………………………21

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Объекты и методы исследования…………………………………………23

2.2 Получение натрий замещенной формы глины Бешкент………………..24

2.3 Получение кальций замещенной формы глины Бешкент……………….25                                                                                                                                                                                                                                                                                               

2.4 Химический анализ глины Бешкент  …………………………………….26

 2.5 Определение емкости катионного обмена глины Бешкент и ее катион замещенных форм………………………………………………………………28                                                                                               

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ……………………………………………..34

ВЫВОДЫ………………………………………………………………………35                                                                

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….37

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Широко известно применение глин в качестве адсорбентов, обладающих хорошими сорбирующими свойствами. Немаловажен  факт  легкодоступности глин и дешевизна этого материала. В современной литературе детально изучаются производные глинистых минералов, органоглинистые композиции, которые расширяют область применения глин. Таким образом, чем дальше, тем  больше становится областей применения глин, особенно бентонита, причем в областях, которые не являются традиционными областями применения глинистых минералов. Например, в литературе описывают применение тагансорбента как средства для излечения сальмоноллеза [1]. Внимание ряда исследователей [2-4] привлекает многообразие применения бентонитовых глин. Так, в работе [5] описано применение бентонитовых глин как наполнителей и сорбентов для очистки материалов от органических и неорганических загрязнений. В работе [7] приводится описание производных монтмориллонита, которые находят применение как антибактериальное средство. Катион-замещенные монтмориллонит и вермикулит применяются для адсорбции  хрома шестивалентного[8]. Для  сорбционного извлечения таких тяжелых металлов как свинец, ртуть и медь из водных растворов применяются амин- и карбоксил-замещенные бентониты [9]. Автором работы [10] была изучена адсорбция ионов меди на двух глинах из Туниса. Авторы рассматривали зависимость адсорбции от pH и температуры. Адсорбция метиленового голубого и ионов цинка на кислотно активированном бентоните из Марокко была изучена авторами работы [11]. Новой и эффективной подложкой для иммобилизации липазы Candida rugosa рассматривается модифицированный бентонит авторами работы [12]. Была изучена  активность антибактериальных соединений, иммобилизованных на монтмориллоните  [13]. Антимикробная активность медного монтмориллонита была изучена авторами работы [14]. В работе Семененко М.П. [15] рассматривается фармакология и применение бентонитов в ветеринарии. Всего лишь добавка 1-3% бентонита к основному рациону животных улучшает все биохимические показатели организма животных.

Приведенные выше примеры исследований монтмориллонита и его производных говорят об актуальности нашего исследования. В данной работе исследовались свойства  глины месторождения Бешкент. В связи широким применением бентонитовых глин понятен интерес к глине месторождения Бешкент. Целью работы  является исследование физико-химических свойств глины Бешкент. Задачей исследования является получение катион замещенных форм глины Бешкент, определение элементного состава глины Бешкент и ее катион замещенных форм и определение величины емкости катионного обмена  глины и ее катион замещенных форм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Строение и свойства глинистых минералов

 Глинистые  минералы представляют собой кристаллические образования кремнекислородных и алюмокислородных октаэдров, которые, сочленяясь друг с другом, образуют слои. Каждый ион кремния в последних находится в центре тетраэдра, по углам которого располагаются четыре иона кислорода. В некоторых случаях (например, в каолините) атомы кремния связаны не с атомами кислорода, а с гидроксильными группами. Осуществление химической связи между слоями кремнекислородных тетраэдров и слоями алюмокислородных октаэдров приводит к образованию слоистой структуры, которая характерна для глинистых минералов [16]. Если один кремнекислородный слой соединяется с одним алюмокислородным слоем, то получается решетка каолинита; при сочетании одного алюмокислородного слоя с двумя кремнекислородными слоями образуется монтмориллонит. Элементарный пакет этого минерала толщиной 9,2-9,4А0 состоит из сетки алюминий -  и магний-кислородно-гидроксильных октаэдров, заключенной между двумя сетками кремний кислородных тетраэдров. В кристаллической решетке глинистых минералов возможны изоморфные замещения: в полостях алюмокислородного октаэдра вместо атома алюминия могут находиться атомы магния, железа, цинка и др.; в кислородном тетраэдре атомы кремния могут быть замещены на атомы алюминия и фосфора. В результате этого в слоях может реализоваться состояние с дефицитом положительных зарядов, который компенсируется катионами, заполняющими межслоевые пространства (обычно Nа+ или Са2+). На сорбционную способность глин влияет природа их обменного комплекса. Замещая одни ионы на другие, можно целенаправленно изменять свойства поверхности природных минеральных сорбентов [17].

    Большой интерес  представляет исследование влияния  роли активных центров глинистых  минералов в адсорбционном взаимодействии. При обработке природных минеральных сорбентов теми или иными способами можно изменить химическую природу поверхности и пористую структуру    минералов. Установлено, что  при этом изменяется состав и количество катионов щелочных и щелочно-земельных металлов на поверхности бентонита [18].

При кислотной активации бентонитов частично разрушается кристаллическая решетка монтмориллонит, разлагаются примеси (карбонаты) и высвобождается силикагель [20], который увеличивает площадь активной поверхности, создается более благоприятное для взаимодействия реагирующих веществ расположение активных центров, увеличивается удельная поверхность глины и пористость [20]. Вследствие превращения мелких пор в поры большего размера активированные глины обладают более однородной пористой структурой по сравнению с природными формами. При этом часть окиси кремния после активации находится в свободном гидратированном состоянии, равномерно распределенной по всей массе активированного образца, что впоследствии надо полагать, и обусловливает изменение пористой структуры в сторону повышения пористости.  В результате многочисленных исследований комплексом современных физико-химических методов анализа установлено, что абсолютное большинство глинистых минералов является кристаллическим и имеет слоистые структуры, и вместе со слюдами, хлоритами и т.п. входит в обширную группу слоистых силикатов, в которых кремнекислородные тетраэдры ассоциированы друг с другом, а иногда с алюмокислородными тетраэдрами в двумерные плоские сетки. Эти сетки обычно не существуют в изолированном виде и комбинируются с сетками из октаэдров, вершинами которых являются анионы O2-, OH-, F- , внутри которых находятся катионы Al3+, Fe3+, Mg2+ и т.д., образуя силикатные слои [19].

Кристаллические структуры глинистых минералов детально изучены в работах Брегга , Гофмана, Звягина и Пинскер, Маршалла, которые показали, что в основе строения решеток большинства глинистых минералов лежат две структурные единицы. Одна из них — глинозем (или магнезиально-кислородно-гидроксильная единица), вторая — гидрат окиси кремния [20].

Рис.1. Схематическое изображение отдельного октаэдра (а) и октаадрической сетки структуры (б) по Гриму [2];  1 — атомы кислорода;  2— атомы кремния.

   Структура глинозема  состоит из двух слоев атомов  кислорода или гидроксилов, между которыми в октаэдрической кoopдинации заключены атомы алюминия, находящиеся на равном расстоянии от кислорода и гидроксильных групп. Эта структурная единица соответствует структуре соединения, называемого гидрагиллитом, и имеет формулу Al2(ОH)6. Последний представляет собой пластинчатые, хорошо развитые кристаллы, состоящие из плотной упаковки ОН-групп, между каждой парой слоев которых расположены атомы алюминия (рис. 3). Замена в гидрагиллите алюминия на магний вызывает образование бруситового слоя состава Mg3(ОН)6, который в свободном состоянии подобен минералу бруситу с элементарной ячейкой Mg(OH)2. Обычно расстояние О—О равно 2,60 Å, а расстояние ОН— ОН — З Å. Пространство, допустимое для иона в октаэдрической координации, имеет размер примерно 0,64 Å. Толщина этого структурного элемента в решетках глинистых минералов равна 5,06 Å.

       Монтмориллониту  без учета изоморфных замещений  соответствует теоретическая формула (ОН)4Si8А12О20 • 5Н20 (межслоевая вода) и следующий теоретический химический состав без учета межслоевого вещества: 66,7% SiO2;   28,3% Аl203;   5%Н20.

                        

             

 

Рис. 2. .    Схематическое   изображениеструктуры монтмориллонита :  1 — кислород;   2 — гидроксил;    3 —'алюминий, железо,  магний; 4 — кремний.

В тетраэдрической сетке замещение Si4+ на Аl3+ ограничено. В октаэдрической решетке замещение алюминия происходит полностью. Так, полная замена 2Аl3+ на 3Zn2+ в октаэдрической решетке дает минерал соконит, замещение алюминия магнием — сапонит, магнием и литием — гекторит. К этой же группе глинистых минералов относится минерал вермикулит, характеризующийся, как и монтмориллонит, высокой ионообменной способностью и набухаемостью (хотя ограниченной) [21].

 

 

Рис. 3. Схематическое изображение структуры монтмориллонита.

К минералам слоисто-ленточной структуры относятся палыгорскит (аттапульгит) и сепиолит. Структура минералов этого типа состоит из двух (палыгорскит) или трех (сепиолит) лент одномерных пироксеновых цепочек. Последние сочленяются вдоль их удлинения основаниями тетраэдров в шахматном порядке, образуя через каждую ленту в направлении оси (b) соразмерное и параллельное ей пространство — цеолитоподобный канал [18]

       Глинистым минералам со слоистой структурой присущи плоские двумерные кристаллы, со слоисто-ленточной — волокнистые кристаллы с явно выраженным одномерным характером.

        Таким  образом, исследование наиболее  типичных структур глинистых  минералов показывает, что большинство  физических и химических свойств  любого дисперсного минерала  тесно связано с его кристаллохимической структурой [22].

     Наиболее важными  свойствами глин являются разбухаемость. гидрофильность, пластичность, ионнообменная и адсорбционная способность, огневая и воздушная усадка, огнеупорность, спекаемость, вязкость, усушка, пористость, набухание, дисперсность и т.д.

Глина является самым устойчивым гидроизолятором — водонепропускаемость является одним из её качеств. За счёт этого глиняная почва — самый устойчивый тип почвы, развитый на пустырях и пустошах. Развитие какой-либо корневой растительной системы в глиняных залежах невозможно. Водонепропускаемость глины полезна для сохранения качества подземных вод - значительная часть качественных артезианских источников залегает между глинистыми слоями [23].