Кинетика набухания бентонита Зыряновского месторождения

В литейном производстве широко применяются песчано-глинистые смеси, более 70 % отливок получают в разовых формах, где в качестве связующего применяются глинистые минералы различного генезиса (каолины, бентониты и их разновидности). Данные связующие используются как в сухом (порошки) виде, так и в виде суспензий различной плотности.

Приготовление суспензий осуществляется на специальных установках – мешалках пропеллерного типа, куда загружается комовой бентонит, подается вода, и производится перемешивание до требуемой плотности 1,2–1,3 г/см3. Свойства приготовленной суспензии во многом определяют и качество получаемых отливок (наличие поверхностных дефектов, размерную и массовую стабильность отливок и т. п.).

Зыряновский бентонит (ст. Зыряновка, Курганская область) откосится к магниево-кальцие-вому типу и по сравнению с другими бентонитами (махарадзевский, черкасский и хакасский модифицированный) обладает низкой связующей способностью, его активная поверхность достигает 700–800 м2/г, емкость катионного обмена 80–150 ммоль/100 г, предел прочности на сжатие во влажном состоянии до 0,1 МПа [1].

Природа набухания глин еще недостаточна изучена. Однако ясно, что кристаллическая структура, кристаллохимия поверхности и обусловленная ими гидрофильность глинистых минералов в значительной степени определяют характер их набухания [2].

Характер набухания монтмориллонитов и каолинитов различен. Для первых характерно межслоевое, внутрикристаллическое набухание. Кроме того, всем глинистым минералам свойственно межчастичное набухание. В связи с этим различна кинетика набухания двух основных групп минералов. Каолиниты в начальный момент увеличиваются в объеме значительно быст- рее, чем более гидрофильные монтмориллониты, но конечная величина их набухания в 5–8 раз меньше. Изучение дифференциальных теплот смачивания монтмориллонитов указывает на неоднородность их поверхности [2], первые порции воды присоединяются с энергией связи порядка 67,01–83,8 кДж/моль.

Большинство исследователей считают, что основными процессами при набухании глин являются поверхностное и межслоевое адсорбционное смачивание, а также осмотическое всасывание воды [3].

Целью работы является изучение кинетики процесса, определение оптимального времени набухания зыряновского бентонита и получение суспензий, соответствующих технологическим регламентам.

Экспериментальная часть

Исходными реагентами были образцы зыря-новского бентонита. После сушки при температуре 120 °С в течение 5 ч и размола проводился рассев по фракциям на ситах. Для исследования была взята фракция 0,16 мм, дисперсионной средой была дистиллированная вода.

Набухаемость бентонита оценивалась по результатам определения удельной электрической проводимости (УЭП), мкСм/см и общей минерализации (ОМ), мг/л в пересчете на хлорид натрия. Исследования проводились на кондуктометре «Эксперт-002», в основу которого положен контактный метод измерения с использованием четырехэлектродной кондуктометрической ячейки. На токовые электроды ячейки подают переменное напряжение, на двух потенциальных электродах измеряют амплитуду напряжения и измеряют ток, проходящей через всю систему. По этим показаниям с учетом постоянной ячейки автоматически рассчитывается УЭП суспензии, приведенный к 25 °С. Пределы допускаемой основной приведенной к верхнему значению поддиапозона погрешности измерений УЭП составляет ± 2 %.

Краткие сообщения

—•— Удельная электрическая проводимость ♦ Общая минерализация

Экспериментальные зависимости удельной электрической проводимости и общей минерализации от времени набухания

В основу расчета общей минерализации (концентрации) положен метод градуировочного графика, который заключается в построении с помощью кондуктометра графика зависимости концентрации раствора от УЭП раствора. Микропроцессор кондуктометра проводит автоматический расчет ОМ в перерасчете на хлорид натрия. В кондуктометре в памяти БИ внесены градуировочные зависимости для хлорида натрия при температуре 25 °С.

Навеска глины массой 3 г помещалась в электрохимическую ячейку объемом 40 см3 и заливалась дистиллированной водой до метки. В ячейку устанавливалась стеклянная мешалка пропеллерного типа на расстоянии 1 мм до дна ячейки, скорость вращения 1500 об/мин и через определенные промежутки времени проводились замеры удельной электрической проводимости и общей минерализации.

Обсуждение результатов эксперимента

Результаты эксперимента приведены на рисунке.

В начальный момент времени набухание протекает быстро, но с меньшей скоростью, чем для каолина, набухание которого максимально происходит в течение 2–3 ч. В дальнейшем скорость набухания возрастает и по истечению 8 – 9 ч процесс замедляется и практически через 24–26 часов прекращается и возможен обратный процесс – коагуляция. При дальнейшем увеличении времени перемешивания происходит формирование гидратированных ионов Ca2+ и Mg2+, которое может привести к последующему образованию малорастворимых гидроксидов кальция и магния и тем самым уменьшить рН суспензии с 9,4 до 9,2 ед.

Изменение общей минерализации подтверждает наличие максимальной набухаемости и переход ионно-обменных катионов в суспензию.

Математическая обработка результатов эксперимента позволила представить функциональные зависимости удельной электрической проводимости и общей минерализации от времени набухания и оценить набухаемость бентонита при получении суспензии:

УЭП = –0,6871 τ ² + 37,593 τ + 46,729; (1)

ОМ = –0,3087 τ ² + 17,663 τ + 23,611. (2)

Увеличение дисперсности суспензии позволяет увеличить смачиваемость наполнителя ПГС – кварца, создать наибольшее количество адгезионных контактов между ингредиентами смеси и связующим и тем самым повысить прочностные свойства песчано-глинистых смесей.

Заключение

Исследована кинетика набухания бентонита зыряновского месторождения. Установлено минимальное время набухания, которое составляет 8–9 ч, в зависимости от химического состава участка месторождения, а также от размеров фракций. Получены математические зависимости электрической проводимости и общей минерализации суспензии, позволяющие определить оптимальное время набухания бентонита с целью получения параметров суспензий в зависимости от требований технологического процесса.