Обогащение природной бентонитовой глины однозарядными катионами

Природный бентонит, использование которого в настоящее время ограничивается в основном металлургической и нефтедобывающей промышленностью, по своему составу и структуре может рассматриваться как основа для создания гораздо более практикоориентрованных материалов. Модификация химического состава и структуры минералов природной глины влечет за собой существенное изменение свойств материала. Так, известно и широко применятся на практике замена в бентоните двухвалентных ионов кальция и магния на более подвижные в водных средах одновалентные ионы натрия, что приводит к существенным изменениям в свойствах бентонита (активация природной бентонитовой глины карбонатом натрия). Логично предположить, что аналогичный эффект будут производить и другие катионы.

Поглощение растворенных веществ глиной является сложным процессом, так как оно осложнено присутствием растворителя и сложной организации самих глинистых минералов. Особенности кристаллической структуры минерала и их химический состав позволяют им участвовать в молекулярной, хемо-ионообменной адсорбции. Обратимость ионного обмена от- крывает широкие перспективы для практического применения глин.

Подвижность ионов в водной среде зависит от различных факторов. На миграцию элемента влияют химическая природа ионов (радиус, заряд) и различные внешние условия (реакция и параметры среды). Наибольшей способностью к миграции в природных средах обладают, как правило, катионы с маленькими радиусами и небольшими зарядами. Поэтому катионы щелочных металлов гораздо подвижне катионов щелочноземельных, к тому же незначительные радиус катиона натрия не позволяет ему встраиваться в кристаллическую решётку силикатных минералов. Следовательно, в системе с адсорбентом, содержащие подвижные однозарядные ионы натрия, калия, аммония и малоподвижные двухзарядные катионы кальция, зависимости от внешних условий, должно происходить смещения равновесия в сторону однозарядных катионов (Na+, K+, NH4+). Это открывает перспективы для регенерации использованных минералов и обогащению (активированию) их необходимыми элементами [1].

Целью настоящей работы является исследование ионообменной способности природной бентонитовой глины по отношению к ионам натрия, калия и аммония.

Материалы и методы исследования. Исследованию подвергались образцы бентонитовой глины месторождения «Десятый Хутор», расположенного в Минусинской котловине на территории Республики Хакасия. Минеральный состав исследуемого бентонита (объем. %): монтмориллонит – 70-72; гидрослюда – 1-2; каолинит – 7-8; кварц – 7-8; щелочной полевой шпат – 6-7; слюда – 4-5; кальцит – 1-2. Соотношение суммы ионов К+ и Nа+ к сумме ионов Ca2+ и Мg2+ – 0,17 [2].

Подготовка образцов и выполнение количественных измерений проводилось в соответствии с ГОСТ 28177-89 [3].

Химическая модификация природного бентонита

Модификацию образцов бентонита проводили обработкой натриевыми, калиевыми и аммониевыми солями минеральных и органических кислот.

Готовили пасту из 5 г бентонита и 4 мл воды. Реагент добавляли в количестве 5% от веса глины, тщательно перемешивали и выдерживали в закрытом бюксе 1 сутки. Затем образцы сушили при температуре 110 °С 6 часов, измельчали, просеивали и проводили анализ на содержание обменных катионов (кальция и магния) и коллоидальность.

Определение коллоидальности бенто-порошка

Навеску бентонита массой 0,5 г помещали в мерную пробирку, приливали воду до общего объёма 15 мл и взбалтывали до получения однородной суспензии. К суспензии добавляли 0,1 г оксида магния и снова взбалтывали в течение 1 минуты и выдерживали 24 часа. По истечении этого времени замеряли объём образовавшегося осадка.

Коллоидальность (К) в процентах вы числяли по формуле: 15 , где V – объём осадка бентонита в пробирке, мл; 15 – общий объём бентонита и воды в пробирке, мл.

Определение концентрации обменных катионов кальция и магния в бентопорош-ке

Навеску бентонита массой 1 г помещали в мерную колбу на 100 мл, прибавляли 0,2 г карбоната кальция. Приливали до ¾ объёма колбы 1 н раствор хлорида натрия, взбалтывали, доводили тем же раствором до метки и оставляли на 1 сутки. Затем суспензию отфильтровывали. К пробе объёмом 50 мл добавляли 5 мл аммонийного буферного раствора, индикатор (эри-охром черный) и титровали 0,05 н раствором трилона Б до перехода окраски.

Для определения концентрации катионов кальция к пробе объёмом 50 мл добавляли 1 мл NaOH (2 н) и индикатора мурек-сида на шпателе. Титровали до перехода окраски от красной к фиолетовой.

Концентрацию катионов кальция и магния (жесткость) (X), мг·экв на 100 г бенто-

К 0,05-100

нита вычисляли по формуле:       1'   , где V – объём раствора трилона Б, израсходованный на титрование, мл; 0,05 – нормальность раствора трилона Б; 100 – коэффициент для пересчета на 100 г бентонита; m – масса бентонита в аликвотной части раствора, г.

Концентрацию катионов магния в растворе (X 2 ), мг•экв на 100 г глины, вычисляли по разнице:

X 2 = X – X 1 , где

• Х    – концентрация катионов кальция и магния, мг•экв на 100 г глины;

• Х 1    – концентрация катионов кальция в растворе, мг•экв на 100 г глины.

Результаты исследования и их обсуждение. В ходе работы нами получен ряд модельных систем на основе природной бентонитовой глины содержащей в качестве модифицирующих агентов катионы натрия, калия и аммония. В качестве модифицирующих добавок использовали карбонаты натрия и калия, хлорид, сульфат, оксалат и бензоат аммония в различном соотношении к массе бентонита.

Для оценки результатов модификации определялись такие физико-химические характеристики, как коллоидальность материала (одна из основных характеристик глины, отражающая способность минералов формировать и поддерживать колло- идную дисперсию) и количество обменных катионов кальция и магния в минерале до и после модификации.

Как показал эксперимент, во всех случаях наблюдается изменение в составе обменных катионов. В процессе модификации происходит снижение концентрации обменных катионов щелочноземельных металлов кальция (II) и магния (II). Логично предположить, что их место в структуре минерала занимают более подвижные в водной среде однозарядные катионы на-

Значение коллоидальности после химического воздействия, напротив, увеличивается с 15% до 88%. При этом, максимальный рост наблюдается после обогащения бентонита ионами натрия (см. таблицу). Следует отметить, что аналогичный эффект имеет место при модификации бентонитовой глины различными натриевыми солями, в случае которых доказано, что значительное изменение свойств природного минерала связано именно с обогащением его ионами натрия [4].

трия, калия и аммония.

Таблица. Физико-химическая характеристика модельных систем

Реактив, содержание в модельной системе (%)	Содержание обменных ионов, мг·экв / 100 г			Коллоидальность, %
	Общ.	[Ca2+]	[Mg2+]
Карбонат натрия, 2 %	14	7	7	81
Карбонат натрия, 5 %	10	6	4	88
Карбонат калия, 2 %	9,5	8	1,5	36
Карбонат калия, 5 %	2,5	2	0,5	23
Хлорид аммония	36	-	-	19
Аммоний щавелевокислый, 2 %	21,5	12	9,5	26
Аммоний щавелевокислый, 5 %	14	5	9	21
Аммоний бензойнокислый, 2 %	17,5	16	1,5	17
Аммоний бензойнокислый, 5 %	20,5	20	0,5	15,3
Сульфат аммония, 2 %	21,5	12	9,5	26
Сульфат аммония, 5 %	14	5	9	21
Природная глина	25	14	11	15

Определенное сходство полученных результатов с литературными данными может свидетельствовать о насыщении природного бентонита и ионами калия и аммония. Низкое значение коллоидальности полученных материалов в этих случаях можно объяснить более существенными размеры ионов калия и аммония по сравнению с катионами натрия, которое влияет на структуру минерала.

Описанное поведение модельных систем свидетельствует о значительном влиянии и анионсоставляющего реагента-модификатора. В случае карбонатов и оксалатов мы имеем дело с солями слабых кислот, образующих нерастворимые соединения с катионами кальция и магния. Это способствует сдвигу равновесия ионного обмена в сторону обогащения однозарядными ионами (натрия, калия, аммония). Хлорид и сульфат ионы не способны связывать катионы щелочноземельных металлов, поэтому в качестве источников обменных ионов для бентонитовой глины не подходят.

Заключение. Исследуемый природный образец бентонитовой глины месторождения «Десятый Хутор» (Республика Хакасия), являясь кальциево-магниевым минералом, активно участвует в процессах ионного обмена. В системах, содержащих более подвижные в водной среде однозарядные катионы, наблюдаются значительные изменения в составе обменных катионов. Происходит уменьшение концентрации ионов кальция и магния и одновременное увеличение коллоидальности материала, что может являться следствием изменения химического состава, входящих в состав бентонита минералов, в том числе, замена одних ионов на другие. Полученные материалы могут найти применение в различных технологических процессах, связанных с очисткой или обогащением водных растворов различными ионами.