Реакционная способность как один из критериев выбора сырья для получения активных тонкодисперсных минеральных порошков

Введение. Наиболее простым и распространенным способом получения тонкодисперсных минеральных порошков является механическое диспергирование. В процессе измельчения материала затрачивается определенная работа (энергия), которая расходуется на образование новой поверхности. Поэтому не всегда понятно, действительно ли разрушение кристаллической решетки твердого тела приводит к активации получаемого раздробленного материала. Так, ключевыми характеристиками тонкодисперсных минеральных порошков, по которым можно судить об активационных процессах, являются величина удельной поверхности (Ssp) и удельная свободная поверхностная энергия, числено равная поверхностному натяжению (о) твердого тела. Поэтому для оценки процесса механической активации сырья был предложен ряд моделей, основанных на определении данных характеристик. Так, одним из самых корректных способов, на наш взгляд, является способ, основанный на энергетическом подходе к оценке механоактивационных процессов. В данной модели заложено определение относительного изменения свободной поверхностной энергии (ΔES/ES0) материала при получении дисперсной системы. В то же время выбор наиболее эффективного сырья для получения композиционных вяжущих может осуществляться на основе критерия активности поверхности (ks), который используется как критерий, характеризующий реакционную способность тонкодисперсных минеральных порошков после их механической дезинтеграции. Поэтому целью данной работы стал расчет относительного изменения поверхностной энергии тонкодисперсных минеральных порошков различной сырьевой природы и выявление возможной функциональной взаимосвязи между параметром ΔES/ES0 и величиной активности поверхности для исследуемых систем горных пород. Методы и материалы. В качестве материалов для проведения исследований были выбраны осадочные горные породы Архангельской области: полиминеральный песок и сапонитсодержащий материал (представитель бентонитовых глин). Перед началом экспериментов образцы горных пород доводили до постоянной массы при температуре 105оС. Химический состав образцов определяли на рентгенофлуоресцентном анализаторе «МетЭксперт». Высокодисперсные фракции горных пород получали методом сухого помола на планетарной шаровой мельнице Retsch PM100. Определение размерных характеристик проводили на анализаторе размера субмикронных частиц «DelsaNano» методом фотонно-корреляционной спектроскопии. Удельная поверхность определялась методом газопроницаемости на приборе «ПСХ-10». Для расчета поверхностного натяжения измеряли краевой угол на установке «Easy Drop». Поверхностное натяжение для высокодисперсных проб рассчитывали методом ОВРК. Результаты и обсуждение. Рассчитанные макроэнергетические характеристики исследуемых образцов показали, что энергия атомизации для полиминерального песка составила 1910,72 кДж/моль, а для сапонитсодержащего материала 1826,94 кДж/моль. При этом массовая удельная энергия атомизации для песка и ССМ равны 30,41•103 кДж/кг и 26,94•103 кДж/кг, соответственно. В процессе диспергирования было получено несколько фракций высокодисперсных порошков горных пород, которые охарактеризовали средним размером частиц и удельной поверхностью. Рассчитанное методом ОВРК поверхностное натяжение (и его составляющие) показало, что для всех исследуемых проб поляризационный эффект (σSP) преобладает над дисперсионным взаимодействием (σSD). При этом по мере возрастания Ssp численное значение отношения σSP/σSD увеличивается. Это свидетельствует об увеличении количества активных центров поверхности, связанных с перераспределением энергетического потенциала системы. Рассчитанные величины свободной поверхностной энергии (ES), активности поверхности (ks) и относительное изменение свободной поверхностной энергии показали, что ks и ΔES/ES0 возрастают по мере увеличения продолжительности диспергирования порошков. Полученные функциональные зависимости ks = f(ΔES/ES0) для исследуемых образцов полиминерального песка и сапонитсодержащего материала имеют линейный характер и подчиняются уравнению общего вида у = a•x + b. При этом коэффициент «a» характеризует динамику изменения реакционной способности материала при увеличении продолжительности механического размола, а параметр «Ь» его реакционную активность в макросостоянии. Сравнение коэффициентов «a» исследуемых дисперсных систем показало, что в отличие от полиминерального песка реакционная способность сапонитсодержащего материала возрастает в 1,5 раза бы стрее, по мере увеличения продолжительности помола. Полученная функциональная взаимосвязь между используемыми критериями оценки процесса механоактивации минерального сырья различной природы показывает корректность применяемых моделей. Заключение. Рассчитанные макроэнергетические характеристики образцов горных пород показали, что энергия атомизации для полиминерального песка и сапонитсодержащего материала имеет близкие значения.