Изучение некоторых физико-химических характеристик глины юга Кыргызстана

Территория Кыргызской Республики характеризуется сложным геологическим строением в связи с развитием разновозрастных и различных по составу и генезису пород, представленных магматическими, осадочными и метаморфическими породами. Многие из этих пород составляет продуктивные толщи месторождений неметаллических полезных ископаемых.

Ала-Арчинское месторождение суглинков (участок Северо-Карасуйский) расположено в Кантском районе, в 7 км к северо-востоку от г. Бишкек, на абсолютной высоте 688-697м. Месторождение известно с 1927г., разведывалось с 1936 г. в качестве сырьевой   базы   кирпичного   завода "Красный   строитель".   В   1984-1986 гг. доразведано Горно-геологической партией МПСМ Киргизской ССР.  Качество сырья не выдержанное. Содержание крупнозернистой фракции более 0.5мм составляет в среднем 1.88%, песчаной фракции от 0.25-0.5мм составляет 1.67%, глинистой фракции размером менее 0.001мм содержится 15,85%.  Балансовые запасы суглинков на 01.01.1996 г. составляют по категориям: В – 3438 тыс. м3, C1- 2258 тыс. м3, (протокол ТКЗ № 358, 1986 г). Орловское месторождение суглинков расположено в Кеминском районе, в 2.5 км восточнее п. Орловка, в 15 км от ж/д ст. Быстровка. Месторождение разведано Северо-Кыргызской геологической экспедицией (Капустина В.А., 1991г.).

Месторождение суглинков Сасык-Булак расположено на территории Иссык- Кульского района в 7.5 км северо-западнее с. Ананьево, на высоте 1900-2050 м. Разведано Горно-геологической партией ГК "Кыргыз курулуш материалы" (ЮрченкоВ..С, 1992 г).

Месторождение суглинков Ала-Бука расположено на территории Ала-Букинского района, в 10 км северо-восточнее райцентра Ала-Бука на абсолютной высоте 1180-1200 м. Разведано Южно-Киргизской геологической экспедицией ( Худайбердиев М.Н., 1987 г.).

Месторождение глины Ноокатское, участок Центральный, расположено в Ноокатском районе, в 25-30 км юго-западнее г. Ош, в 10-15 км северо-восточнее п. Эски Ноокат, на абсолютной высоте 1383-1574 м. Разведено в 1971г. Южно-Киргизской геологической экспедицией (Малышев А.П., 1973 г)

Бентонитовые глины. Бешкентское месторождение расположено в Лейлекском районе в 38 км к югу от железнодорожной станции Ленинабад и в 8 км к северу от с. Маргун, на абсолютной высоте 1350- 1450м.           Разведано в 1968 г. Кайракумской экспедицией Таджикского ГУ, доразведано в 1973- 1974 гг. (Федотов ВА, 1969 г., Водров А.П., 1975 г.).

Продуктивный горизонт бентонитовых глин монмориллонит-коалинитового состава приурочен к исфаринским слоям палеогена и расположен по простиранию на 820 м при колебании мощности от 5 до 20 м. Азимут падения 3600, угол падения 14-18°. На месторождении выделено два участка - Западный и Восточный. Продуктивными являются глины Западного участка [28].

 

 

 

 

1.5. Химический анализ

Изучение химического состава глинистых пород — необходимый вид их исследования — проводится как для определения их минералов (включая и количественные соотношения между ними), так и для получения геохимических показателей условий образования, для корреляции разрезов и определения полезных практических свойств [24].

Основным анализом является валовой силикатный химический анализ, т. е. определение (обычно методами мокрой химии) из растертой в порошок породы 13 главных петрофильных генетических компонентов [21]: SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2, P2O5, MnO, H2O. Этот анализ в настоящее время дополняется различными методами и видами рационального химического анализа, например водной, солянокислой, содовой вытяжками и определением всего, что они извлекли из порошка породы, а также методами фото- и спектрохимического анализа, пламенной фотометрии, потенциометрии и т. д. [21].

Помимо анализа всей породы теми же методами изучают отдельные части породы или ее фракции. Это позволяет упростить компонентный состав породы, нередко помимо глинистого вещества включающей обломочные, аутигенные и органические минералы; тогда легче истолковать данные химического анализа, например, пересчитать на формулу минерала. Наиболее удобна для этого фракция <0,001 мм из-за ее наибольшей чистоты, т. е. отмученности. Нередко химическое изучение ограничивают анализом только этой фракции, а другие, более крупные изучают при особой необходимости. Фракцию <0,001 мм получают в достаточном количестве (не менее 6 г) отмучиванием, т. е. сливанием через 24 ч отстаивания (после взмучивания) верхних 6 см суспензии из больших (на несколько литров) банок. Операцию повторяют несколько раз, пока не наберется навеска. Если в глинистой фракции <0,001 мм, как и в породе в целом, предполагается наличие свободных окислов кремния (опала, кварца и др.), алюминия, железа, а также пирита, карбонатов и других примесей, навеска должна быть большей, и из нее надо отдельными реакциями определить эти неглинистые примеси, чтобы, в частности, точнее вычислить формулу минералов [22].

По данным химического анализа с привлечением результатов оптического, рентгеноструктурного и других методов изучения может быть рассчитана, при большей или меньшей мономинеральности, химическая формула главного (преобладающего, если не единственного) глинистого минерала. Но это в определенной мере условные формулы, так как глинистые минералы не состоят из окислов. Достоинства этих формул — простота и наглядность. Структурная же формула, помимо состава, отражает строение минералов — их кристаллическую структуру.

Для расчета формул необходимо процентное содержание окисла разделить на его молекулярный вес и полученные молекулярные количества всех окислов выразить через молекулярное количество (принимаемое за единицу) одного из них, т. е. разделить на это молекулярное количество, например Al2O3 для каолинитовой группы, или через сумму (также принимаемую за единицу) молекулярных количеств (Al2O3 и Fe2O3 для монтмориллонитовых и гидрослюдистых минералов). Если анализом установлены FeO и MgO, то к этой сумме относится 2/3 суммы этих окислов. Примеры расчеты структурных формул приведены Μ. Ф. Викуловой и Т. С. Берлин [22].

 

         

 

 

 

ӀӀ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Объекты и методы исследования

        Объектом  исследования является глина  месторождения Бешкент, которая находится в Ляйлякском районе Баткентской области Кыргызстана. Месторождение Бешкент характеризуется как бентонитовое месторождение с содержанием каолинита.

При выполнении работы мы использовали соляную кислоту марки «хч», серную кислоту марки «хч», хлорид бария марки «хч» гидроксид натрия марки «хч», сульфат кальция марки «хч», сульфат магния «хч», этиловый спирт «хч», карбонат натрия «хч».

  Химический анализ глин проведен спектральным методом в лаборатории «Стюарт Эссей энд Инвайронментал лэборэторис» на приборе ICP OES Оptima 7000 (индуктивно связанная плазма). ICP OES – многоэлементный метод анализа с исключительно высокой производительностью. Методом ICP OES обычно можно определить более 73 элементов в минуту в одном образце. Для получения хороших метрологических характеристик образца необходимо перед вводом каждой новой пробы выждать 15-30 секунд для установления равновесия между плазмой и каждой новой пробой. Пробы глин подготавливают следующим образом: берут по 20 г предварительно высушенных проб, истирают на миксере до размеров частиц 0,027мм. Затем проводят многокислотное разложение для перевода в раствор всех присутствующих компонентов глины. Для этого берут по 0,2 грамм пробы исследуемых глин в фторопластовых стаканах и  смачивают деионизированной водой. Затем добавляют по 10 мл HF, затем по 10 мл трехкислотной смеси (HNO3, HCl, HClO4 в соотношении 1:2:2). Ставят пробу на плитку при температуре 2500С на три часа для упаривания. После охлаждения добавляют по 10 мл 25% царской водки в каждую пробу. Ставят на плитку на 20 минут. После охлаждения добавляют по 0,5 мл раствора индия и переводят в мерные колбы, перемешивают и оставляют на 12 часов. На следующий день проводят анализ проб. Условия проведения анализа: t=170C, коэффициент корреляции 0.9995, влажность воздуха 4,2 по психрометру.

2.2. Получение натрий замещенной формы глины Бешкент

           В настоящее время установлено, что  поддающиеся обмену катионы нельзя рассматривать как адсорбированные, поскольку они являются составной частью химического строения кристаллов. Об этом свидетельствует то обстоятельство, что обменные реакции происходят сразу же, как только устанавливается контакт между глиной и раствором. Исследования влияния природы и концентрации растворов на катионный обмен глинистых минералов показали, что действие концентрации электролита зависит от того, какой катион замещает и какой замещается. Так с катионными парами подобной замещающей силы и той же валентности, например,  К+ с NH4+ или Са2+ с Ва2+, разведение не оказывает существенного влияния на ионный обмен, в то время как с катионами разной замещающей силы и разной валентности, например Na+ с Са2+  или  NH4+ c Ca2+, разведение оказывает значительное влияние на ионообменные реакции. Установлено, что по замещающей силе обмена неорганические  катионы размещаются в ряд Li+ < Na+< K+< Mg2+< Ca2+< H+.      Для дальнейшего изучения свойств глинистых минералов мы решили воспользоваться ионообменной способностью глин для приготовления глинистых комплексов, насыщенных неорганическими  катионами. Так как натрий легко замещается катионами, за исключением лития, то для получения других гомоионных форм глин мы использовали натриевые формы глинистых минералов, которые готовили по методике.   К 20 г глинистого минерала прибавляли 180 мл 10%-ного раствора химически чистого хлорида натрия и смесь взбалтывали в течение 30 минут в механической мешалке. Смесь центрифугировали 10 минут  при 5 тыс. об/мин, надосадочную жидкость сливали и эту операцию повторяли десять раз. Затем для отмывания избытка хлорида натрия осадок обрабатывали  180 мл 50% - ного раствора этанола, взбалтывали  30 мин, центрифугировали  в течение 10 мин и сливали надосадочную жидкость. Осадок пять раз обрабатывали аналогичным образом 180 мл раствора этанола.  После этого осадок для освобождения  от избытка воды дважды промывали 100 мл 95%-ного раствора этанола, взбалтывали 10 мин и центрифугировали. Надосадочную жидкость сливали, а осадок с помощью 95%-ного этанола переносили в чашку Петри и оставляли при комнатной температуре до улетучивания этанола. Затем глинистый минерал высушивали 24 ч в сушильном шкафу при 110◦ С. Натриевую форму глинистого минерала измельчали и просевали через сито №2.

2.3. Получение кальций замещенной формы глины Бешкент

      К 20 г натриевой  формы глинистого минерала прибавляли 175 мл 1молярного раствора ацетата  кальция и взбалтывали 30 мин на  механической мешалке. Смесь центрифугировали, надосадочную жидкость сливали; эту операцию повторяли четыре раза и затем осадок для удаления избытка ацетата калия дважды промывали 175 мл воды. Потом осадок трижды промывали 175 мл 80% - ного раствора этанола. В конце осадок дважды промывали 95%-ным раствором этанола и после декантации спирта над осадком  полученный осадок высушивали в начале при комнатной температуре до испарения спирта, а затем 24 часа в сушильном шкафу при 110◦С. 

 

 

 

 

2.4. Химический анализ глины

Экспериментальные данные по определению химического состава глины Бешкент приведены в таблице 2.1 Глина характеризуется значительным содержанием оксида кальция и магния, соотношение оксида кремния к оксиду алюминия составляет 5:1, что позволяет делать вывод о том, что глину месторождения Бешкент можно отнести к бентонитовым глинам. Химический состав катион замещенных форм глины Бешкент показывает изменение содержания основных оксидов и незначительное уменьшение содержание диоксида кремния и небольшое увеличение содержания оксида натрия.

Таблица 2.1

Химический состав исследованной глины и ее катион замещенных

форм

	Al 2O3	CaO	MgO	Fe2O3	K2O	Na2O	SiO2	TiO2	СО2	SO2	п.п.п	сумма
Природная форма	10,11	13,40	3,28	3,92	2,17	1,02	50,10	0,49	8,02	2,27	4,54	99,97
Na- форма	9,27	14,5	2,95	3,70	1,86	2,28	49,89	0,49	8,35	2,95
Са- форма	9,97	19,72	3,18	3,90	2,08	1,03	49,78	0,48	9,01	3,12

 

В пробах после химического анализа определяли потери при прокаливании и влажность глин.  Простейший метод определения влажности заключается в высушивании взятой из средней пробы навески в сушильном шкафу - термостате при температуре 105-1100С.  Определение влажности глин проводили следующим образом. Навеску величиной от 10 до 50 г сушили в бюксе в течение 2-4 часа при температуре 105-1100. Время высушивания в указанных пределах практически достаточное для полного удаления влаги подбирают заранее в 

зависимости от типа материала. Так, для глиняных порошков двухчасовая сушка является обычно вполне достаточной, а для высоковлажных масс (пластичных) рекомендуется сушка в течение 3-4 часов. Высушенные пробы охлаждали в эксикаторе и взвешивали на технических весах с точностью до 0,01г. Влажность рассчитывают по формуле:

                                          

   где g0 и g1-соответственно массы исходной и высушенной навески,         

   m - масса высушенной навески

Полученные в эксперименте данные представлены в таблице 2.2.

Потерей при прокаливании называют убыль в весе при нагревании образца до 800-10000С. При прокаливании образец теряет воду, гумус, адсорбированные газы и частично хлориды. Потери при прокаливании определяют на пробах величиной 1-2 г взвешиванием на аналитических весах. Пробы должны быть предварительно высушены при 105-1100С, затем их прокаливают в фарфоровом тигле при температуре 800-10000С с выдержкой в течение 2-4 часа. Вынимают тигель из муфельной печи, ставят в эксикатор. После охлаждения тигель взвешивают. Учитывая степень точности определения, необходимую для решения соответствующих технологических задач, можно, как правило, ограничиваться одним прокаливанием без проверки достигнутого постоянства веса. Величину потери при прокаливании рассчитывают по формуле:

                                 

где g0 и g1-соответственно массы исходной и прокаленной навески,    

 m - масса высушенной навески, w-влажность.

Полученные данные представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Наименование глины	Влажность, %	П.П.П.,  %
Бешкент	0,55	5,19

 

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

       Емкость  катионного обмена проводили  по известному  методу Бабко-Аскинази-Алешина. Обменные катионы оказывают существенное влияние на природу поверхности глинистых частиц, взаимодействующих с водой. Это влияние оказывается на таких физических свойствах глин, как пластичность, пластическая прочность, тиксотропность, набухаемость, вязкость и.т.д. Следовательно, определение емкости обмена и состава обменных катионов глин представляет большой теоретический и практический интерес для общей оценки, изменения и управления ряда химических свойств глины путем замены одних катионов другими.