Влияние условий механоактивации на физические и сорбционные свойства цеолитсодержащих пород

Influence of mechanical activation on the physical and sorptive properties of zeolite-containing rocks

Olga Dabizha

candidate of chemical Sciences, associate Professor of chemistry, Transbaikal State University, Russia, Chita

Tatiana Derbeneva

graduate student, Transbaikal State University, Russia, Chita

Alisa Khatkova

doctor of technical Sciences, Professor of the Department of chemistry, Transbaikal State University, Russia, Chita

Аннотация. Исследованы механоактивированные в агатовой ступке цеолитсодержащие породы методами ситового анализа, воздухопроницаемости и пикнометрическим. Определены плотность образцов, полная обменная емкость по катионам аммония, удельная поверхность и коэффициент воздухопроницаемости. Проведен сравни­тельный анализ полученных результатов с аналогичными данными для цеолитсодержащих образцов, подвергнутых механоактивации в вибрационном истирателе.

Abstract. Mechanically activated zeolite-containing rocks in the agate mortar were investigated by air permeability, pycnometric and sieve analysis methods. The density of samples, the total exchange capacity for ammonium cations, the specific surface area and the coefficient of air permeability are determined. A comparative analysis of the results obtained with analogous data for zeolite-containing samples subjected to mechanoactivation in a vibratory attritor was carried out.

Ключевые слова: механоактивация; цеолиты; виброистиратель; агатовая ступка; гранулометрический состав; физические свойства; полная обменная емкость; аммоний; сорбенты.

Keywords: mechanoactivation; zeolites; vibratory attritor; agate mortar; granulometric composition; physical properties; total exchange capacity; ammonium; sorbents.

Как известно [1], существует оптимальное время и режим механоактивации порошков клиноптилолита, которые соответствуют его максимальным удельной поверхности и сорбционной емкости по катионам металлов. Выбор оптимальных условий механоактивации позволит получать минеральные сорбенты с улучшенными эксплуата­ционными характеристиками.

Ранее нами изучено влияние механоактивации цеолитсодержащих пород Холинского и Шивыртуйского месторождений в течение 10 минут в вибрационном истирателе на реакционную способность [4] и обменную емкость по катиону аммония [3]. Установлено, что механоактивация клиноптилолита в вибрационном истирателе приводит к протеканию процессов гидратации и карбонизации минеральных образцов и способствует эффективному повышению его сорбционных свойств.

Цель настоящего исследования заключалась в определении физи­ческих характеристик и полной обменной емкости по катиону аммония цеолитсодержащих пород после их механоактивации в ступке и сравнении результатов с данными, полученными для механоактиви­рованных образцов в виброистирателе [5].

Объектами исследования являются цеолитсодержащие породы Холинского (ХЦ; хц) и Шивыртуйского (ШЦ; шц) месторождений (Забайкальский край), в состав которых входит клиноптилолит [4] как основной породообразующий минерал. Механоактивацию образцов проводили насухо в ступке в течение 30 минут (хц-ма; шц-ма), сравнивали с образцами, механоактивированными в четырехбарабанном вибрационном истирателе (ХЦ-МА; ШЦ-МА).

Плотность исследуемых образцов определяли пикнометрическим методом, рабочая жидкость – керосин ТС-1 (ГОСТ 10227-86; плотность r = 0,78 г/см³). Пустотность определяли по формуле: V_пуст = (1-r_н/r_и)×100 %, где r_н и r_и – насыпная и истинная плотность соответственно.

Удельную поверхность исследовали методом воздухопрони­цаемости с помощью прибора Товарова [5], постоянная прибора равна К = 30 пз^1/2×с^-1/2×см^-1. Полную обменную емкость минеральных образцов измеряли согласно отраслевой методике [2]. Гранулометрический состав цеолитсодержащих пород определяли методом ситового анализа.

На рисунке 1 приведена зависимость массового содержания частиц (w) в образцах от размера зерен (r, мкм).

Выявлено, что механоактивация в виброистирателе способствует большему содержанию частиц и их агрегатов размерами 80-140 мкм, чем механоактивация образцов в агатовой ступке.

Рисунок 1 – Гранулометрический состав исходных и механоактивированных цеолитсодержащих пород: а – в агатовой ступке; б – в виброистирателе

В таблице 1 приведены физические характеристики образцов: насыпная и истинная плотность (r_н и r_и), пустотность (V, %), коэффи­циент пористости (m), длительность опыта (t, с), удельная поверхность (S_уд, см²/г). На рисунке 2 показано сравнение полной обменной емкости клиноптилолитсодержащих пород Холинского и Шивыртуйского месторождений исходных и механоактивированных в ступке и вибро­истирателе.

Таблица 1.

Физические характеристики исследуемых образцов

Рисунок 2 – Полная обменная емкость по катиону аммония (ПОЕ_NH4⁺, мг-экв/г) исходных и механоактивированных образцов

Анализ данных таблицы 1 показал, что применение механоакти­вации в агатовой ступке приводит к увеличению удельной поверхности цеолитных образцов в 3 и 8 раза, а в виброистирателе – в 14 и 16 раз для пород Холинского и Шивыртуйского месторождений соответственно. Выявлено, что механоактивация также способствует либо увеличению, либо уменьшению их плотности. Повышение величины удельной поверхности образцов должно сопровождаться улучшением их обменных свойств.

Анализ рисунка 2 показал, что механоактивация в агатовой ступке способствует увеличению ПОЕ по NH₄⁺ в 4,9 и 2,5 раза, в то время как механоактивация в виброистирателе повышает эту величину в 1,2 и 1,1 раза для клиноптилолитсодержащих пород Холинского и Шивыртуйского месторождений соответственно. Следовательно, условия механоактивации (агатовая ступка или вибрационный истиратель) оказывают влияние на физические характеристики минеральных сорбентов. Это позволит использовать механоактивацию для регулиро­вания эксплуатационных свойств минеральных сорбентов.