Физико-химические исследования глин Нижнеувельского месторождения
Автор: Щербаков Анатолий Анатольевич, Солодкий Николай Федорович, Викторов Валерий Викторович, Жестков Виктор Михайлович, Сериков Александр Сергеевич, Клепиков Максим Сергеевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry
Рубрика: Химия твёрдого тела
Статья в выпуске: 33 (250), 2011 года.
Бесплатный доступ
Физико-химическими методами (РСА, ДТА, масс-спектрометрия, атомно-эмиссионным) исследован химический состав глины Нижнеувельского месторождения. Установлено, что глина Нижнеувельского месторождения относится к полукислому глинистому сырью. Установлена эмпирическая формула для Нижнеувельской глины.
Нижнеувельская глина, физико-химические свойства глин
Короткий адрес: https://sciup.org/147160210
IDR: 147160210
Текст научной статьи Физико-химические исследования глин Нижнеувельского месторождения
Глинистые породы, благодаря наличию технически ценных свойств доступности, имеют широкое применение в различных отраслях промышленности [1]. Они используются в производстве изделий строительной, грубой и тонкой керамики, огнеупорных материалов, цемента, в литейном производстве, бумажной, резиновой промышленности и т. д. [2].
Большинство керамических заводов России используют качественные, но дорогостоящие импортные глины. Актуальным вопросом является замена импортных глин на глины месторождений России [3].
На Урале выявлен целый ряд крупнейших месторождений, освоенных промышленностью (Троицко-Байновское, Белкинское, Курьинское, Нижнеувельское, Южноуральское (Берлинское)) и ряд других. Всего на Урале известно более 200 месторождений огнеупорных и тугоплавких глин. Однако изученность большинства из них еще далеко не достаточно.
Глины Нижнеувельского месторождения отличаются разнообразием по содержанию минеральных примесей.
Целью данной работы являлось: изучение химического, фракционного состава глины Ниж-неувельского месторождения.
Экспериментальная часть
Образцы глины взяты из забоя действующего карьера и с отгрузочного склада. Пробы глин были распределены на фракции с помощью набора сит [4]. Для каждой фракции и валовой пробы был проведен химический анализ.
Химический состав глин контролировали спектральными методами на приборе ARL-3410, рентгенофлуоресцентным анализом на СРМ-25 Прокаленные смеси исследовали рентгенографически на дифрактометре ДРОН-ЗМ с К α -излучением кобальта. Спектры дифференциальнотермического и масс-спектрометрического анализов получали на приборе Netzch Jupiter. Анализ проводили со скоростью нагрева 20 °С в минуту, в кислородно-аргоновой смеси от комнатной температуры до 1100 °С.
Обсуждение результатов
Химический состав проб нижнеувельской глины приведен в табл. 1.
По содержанию А1 2 О 3 нижнеувельская глина относится к полукислому глинистому сырью. По количеству Fe 2 O 3 и TiO 2 – к сырью со средним содержанием красящих оксидов.
Химический состав отдельных фракций глины в сравнении с валовой пробой приведен в табл. 2.
По данным табл. 2 видно, что фракция выше 0,06 мм представляет собой чистый кремнезем с незначительным количеством примесей механического характера. Отмытые от кварца фракции глины менее 0,06 мм имеют более высокое содержание глинозема.
Щербаков А.А., Солодкий Н.Ф., Викторов В.В., Жестков В.М., Сериков А.С., Клепиков М.С.
Таблица 1
Химический состав глин Нижнеувельского месторождения
|
№ п/п |
Место отбора проб |
Содержание оксидов, % |
||||||||
|
SiO 2 |
Al 2 O 3 |
TiO 2 |
Fe 2 O 3 |
CaO |
MgO |
K 2 O |
Na 2 O |
п.п.п. |
||
|
1 |
Карьер валовая |
57,74 |
27,18 |
1,36 |
2,96 |
0,24 |
0,48 |
0,36 |
0,26 |
9,42 |
|
2 |
Карьер |
58,42 |
27,34 |
1,28 |
1,40 |
0,28 |
0,40 |
0,68 |
0,36 |
8,32 |
|
3 |
Карьер |
54,35 |
27,60 |
1,50 |
3,34 |
0,30 |
1,70 |
0,71 |
0,18 |
10,16 |
|
4 |
Карьер |
60,30 |
25,17 |
1,38 |
1,78 |
<0,10 |
1,27 |
0,84 |
0,18 |
8,92 |
|
5 |
Карьер |
52,82 |
28,55 |
1,36 |
3,39 |
0,59 |
1,48 |
0,54 |
0,19 |
11,02 |
|
6 |
Карьер |
57,75 |
24,26 |
1,58 |
4,17 |
0,59 |
1,48 |
0,46 |
0,23 |
9,36 |
|
7 |
Склад |
63,09 |
24,05 |
1,30 |
2,16 |
0,28 |
0,36 |
0,54 |
0,20 |
8,02 |
|
8 |
Склад |
64,52 |
19,84 |
1,20 |
2,38 |
0,30 |
1,21 |
0,62 |
0,13 |
9,50 |
Таблица 2
Химический состав валовой пробы № 3 и её отдельных фракций
|
Проба |
Содержание на прокаленное вещество, % |
|||||||
|
п.п.п. |
SiO 2 |
Al 2 O 3 |
TiO 2 |
Fe 2 O 3 |
CaO |
MgO |
K 2 O |
|
|
Валовая проба |
10,16 |
54,35 |
27,60 |
1,50 |
3,34 |
0,30 |
1,70 |
0,71 |
|
НУ-2, фракция > 0,06 мм |
0,48 |
96,92 |
– |
1,54 |
1,02 |
0,56 |
– |
Неопр. |
|
НУ-2, фракция < 0,06 мм |
9,19 |
58,56 |
29,42 |
– |
1,39 |
0,69 |
0,72 |
Неопр. |
|
НУ-2, фракция > 1 мкм |
9,82 |
56,43 |
28,40 |
1,62 |
2,81 |
0,53 |
0,75 |
0,69 |
Термограмма нижнеувельской глины подтверждает её каолинитовый состав. Эндо- и экзотермические эффекты у глины несколько размыты, протекают в более широком температурном интервале. Это обусловлено воздействием модифицированных превращений кварца на поведение каолинита при нагревании (см. рисунок).
На термограмме в области температур 20–600 °C наблюдаются 2 экзоэффекта, обусловленные удалением абсорбционной влаги – 150–170 °C и 2 эффект-разложение гидрослюд, что хорошо согласуется с литературными данными [6]. Потеря массы в данном температурном интервале составляет величину ~ 10–12 %. Дальнейшее нагревание пробы не ведет к изменению массы. Проведенный одновременно с термогравиметрическим, масс-спектрометрический анализ показал, что при температурах 180 °C и 580 °C наблюдается максимум выделения воды ( m / e =18).
Химия твердого тела
Экзотермический эффект при 900–1000 °C сопровождается начинающимся превращением кварца в тридимит.
Структурные формулы нижнеувельской глины, рассчитанные по данным химического состава фракций ниже 1 мкм, имеют вид:
структурная формула
K 0,04 ·Ca 0,06 (Mg 0,12 ·Fe3+ 0,16 ·Ti 0,09 ·Al 3,15 )·[Si 4,27 ·O 10 ](OH) 8,14 ;
эмпирическая формула
Al 2 O 3 ·2,68SiO 2 ·2,55H 2 O(0,01K 2 O·0,04CaO·0,08MgO·0,10Fe 2 O 3 ·0,06TiO 2 ).
Глинистая составляющая (фракция менее 1 мкм), судя по рассчитанным структурной и эмпирической формулам, а также проведенным рентгенографическим и термографическим исследованиям, соответствует каолиниту.
В нижнеувельской глине присутствует галлуазит и свободный кремнезем. В соответствии с этим, эмпирическая формула нижнеувельской глины имеет вид Al2O3·2,68SiO2·2,55H2O, а отношение Al 2 O 3 :SiO 2 составляет 0,64. Кроме кремнезема в глинистой составляющей нижнеувельской глины присутствует в равномерно распределенном виде гидрослюды железа, придающие глине розоватый оттенок. Примеси снижают огневые свойства глины.
Поведение глин в системе «глина–вода» [5]и при спекании в основном определяется размерами частиц глинистого вещества, которые составляют основу керамической массы.
Дисперсность влияет также на пластичность, связующую способность и усадку глин при сушке и обжиге.
Гранулометрический состав нижнеувельских глин позволяет отнести их к тонко- и среднедисперсным. Содержание фракций менее 1 мкм изменяется в значительных пределах (табл. 3).
Таблица 3
Гранулометрический состав глин
|
№ пробы |
Содержание фракций, % (диспергатор – пирофосфат натрия) |
||||
|
> 0,05 мм |
0,05–0,01 мм |
0,01–0,005 мм |
0,005–0,001 мм |
< 0,001 мм |
|
|
1 |
2,52 |
1,66 |
1,37 |
13,36 |
80,00 |
|
2 |
– |
4,18 |
1,18 |
8,46 |
86,18 |
|
3 |
19,87 |
16,64 |
6,91 |
11,26 |
45,32 |
|
4 |
5,60 |
2,52 |
1,30 |
11,12 |
79,46 |
|
5 |
20,01 |
67,88 |
4,55 |
9,66 |
53,67 |
|
6 |
6,65 |
5,06 |
6,45 |
23,92 |
47,92 |
|
7 |
5,36 |
9,54 |
10,02 |
21,86 |
53,22 |
|
8 |
1,21 |
4,95 |
6,22 |
21,57 |
66,05 |
Наиболее мелкодисперсным является ситовой остаток нижнеувельской глины, основное количество зерен кварца в котором имеет размер 0,2–0,088 мм.
Выводы
Физико-химическими методами (РСА, ДТА, масс-спектрометрия, атомно-эмиссионным) был исследован химический состав глины Нижнеувельского месторождения. Установлено, что глина Нижнеувельского месторождения относится к полукислому глинистому сырью. По содержанию А1 2 О 3 нижнеувельская глина относится к полукислому глинистому сырью. По количеству Fe 2 O 3 и TiO 2 к сырью со средним содержанием красящих оксидов. Установлена империческая формула для нижнеувельской глины.
Список литературы Физико-химические исследования глин Нижнеувельского месторождения
- Солодкий, Н.Ф. Минерально-сырьевая база Урала для керамической, огнеупорной и стекольной промышленности: справ. пособие/Н.Ф. Солодкий, А.С. Шамриков, В.М. Погребенков; под ред. проф. Г.Н. Масленниковой. -Томск: Аграф-Пресс, 2009. -332 с.
- Авидон, В.П. Предварительные испытания глин в полевых условиях/В.П. Авидон. -М.: Госгеолтехиздат. -1963. -127 с.
- Кащеев, И.Д. Физико-химические свойства керамической массы с использованием нижнеувельской глины/И.Д. Кащеев, О.В. Турлова//Стекло и керамика. -2010. -№ 6. -С. 10-12.
- Августиник, А.И. Методы исследования и контроля в производстве фарфора и фаянса/А.И. Августиник, И.Я. Юрчак. -М.: Изд-во «Легкая индустрия». -1971. -432 с.
- Галабутская, Е.А. Система глина-вода: учеб. пособие/Е.А. Галабутская. -Львов: Главполиграфиздат. -1962. -212 с.
- Гегузин, Я.Е. Физика спекания/Я.Е. Гегузин. -М.: Наука. -1967. -360 с.
