Тезисы
апрель 2017

Наноструктуровані матеріали на основі гідрослюд


Дорошенко Д. В.
Химия и современные технологии
Abstract / Full Text

Одним з найбільш прийнятних методів утилізації відпрацьованих силікатних сорбентів є їх високотемпературна обробка, яка дозволяє міцно фіксувати небезпечні забруднювачі в наноструктурованій силікатній матриці і не допустити їх вилуговування навіть під дією достатньо агресивних хімічних реагентів. Показано, що такі термооброблені сорбенти можуть безпечно зберігатися в спеціально відведених місцях чи, після ретельного дослідження, використовуватися як наповнювачі сировини для будівельних матеріалів.

Рисунок 1 – Структура гідрослюди

Під час термічної обробки відпрацьованих сорбентів на основі глинистих мінералів в шаруватих силікатах відбуваються складні перетворення, що протікають в декілька стадій і деякі важливі особливості їх перебігу і досі є недостатньо з’ясованими.

Як було показано в попередніх дослідженнях, основні структурні перетворення при температурах до 800°С мають місце в октаедричних сітках мінералів і супроводжуються зниженням координаційного числа атомів алюмінію в них. В гідрослюдах характер термічних реакцій в значній мірі обумовлений особливостями будови їх октаедричної сітки. Так, розподіл октаедричних катіонів по цис- і транс-позиціях в сітках цих мінералів визначає температурний інтервал дегідроксилізації. Для цис-вакантних різновидів цей інтервал становить 600-700°С, а для транс-вакантних – 500-550°С. Структурні зміни в октаедричних сітках при дегідроксилізації також супроводжуються можливим зменшенням координаційних чисел катіонів алюмінію і магнію з 6 до 5.

Метою роботи було встановлення механізму іммобілізації іонів кобальту в структурі сорбентів на основі гідрослюди та визначення оптимальних умов формування при термічній обробці наноструктурованих матеріалів на основі гідрослюд з підвищеними фізико-механічними властивостями та стійкістю до вилуговування. В експериментах з дослідження властивостей термооброблених гідрослюдистих сорбентів були використані зразки, що сорбували максимально можливу кількість іонів кобальту.

При температурах до 900°С спостерігається ослаблення рефлексів гідрослюди при збереженні рефлексів мінералів-домішок. При оптимальній температурі випалу зразків на основі гідрослюди фіксується тільки утворення рентгеноаморфних фаз. Стійкість термооброблених порошкоподібних зразків до вилуговування поступово зростає при підвищенні температури, що достатньо добре корелює з їх фізико-механічними характеристиками.

Дослідження кінетики процесів вилуговування забруднювача (сполук кобальту) з таблетованих зразків, випалених при 900°С агресивний реагентом (1М HCl) показали, що вилуговування металу незначне і спостерігається тільки в перші кілька годин контакту зразків з агресивним середовищем.

Фізико-хімічні перетворення, що мають місце в гідрослюді під час термічної обробки, визначають її високу реакційну здатність і активність в процесах структуроутворення. Це обумовлює формування при підвищених температурах міцних кристалізаційних контактів на основі достатньо слабких коагуляційних, а згодом конденсаційних контактів, котрі утворюються в водонасичених глинистих структурах при висушуванні зразків. Сорбовані на поверхні іони-токсиканти при цьому мігрують в приповерхневі шари частинок глинистих мінералів у вакантні поліедри алюмокремнекисневих сіток, внаслідок чого стійкість до вилуговування термооброблених зразків значно зростає.

При підвищених температурах спостерігається збільшення кількості рентгеноаморфних алюмосилікатних фаз, котрі формуються в результаті руйнування, в першу чергу, октаедричних сіток гідрослюди. На основі шаруватої структури гідрослюди формується тривимірна безперервна структура, що складається із тетраедрів АlО4, а іони кобальту і інших одно- і двовалентних катіонів локалізуються біля алюмокисневих тетраедрів та нейтралізують їх нескомпенсований негативний заряд з утворенням наноструктурованих матеріалів. При підвищених температурах можливо і утворення незначної кількості кристалічних фаз типу шпінелі. Сорбовані іони кобальту також можуть утворювати шпінелеподібні фази.

На основі досліджень хімічних та фізико-механічних властивостей одержаних наноструктурованих матеріалів встановлено, що оптимальною температурою термообробки гідрослюдистих сорбентів є 900°С, при якій забезпечуються максимальні щільність і міцність, мінімальні водо-поглинання та відкрита пористість, а також найбільша стійкість.