VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В последние годы все острее встает вопрос защиты человека и окружающей среды от вредных воздействий техногенных загрязнений и в связи с этим особое признание для решения ряда задач по охране объектов биосферы завоевывает применение адсорбентов. Наиболее широкое применение в качестве адсорбентов находят природные глины, которым свойственна химическая устойчивость, механическая прочность, высокая ионообменная селективность к различным соединениям, дешевизна по сравнению с синтетическими органическими ионообменниками и другими неорганическими материалами [1].

Применение природных глин известны с древних времен. К широко распространенным видам глин можно отнести бентонит, который является результатом расстекловывания и химического изменения стекловатых частичек вулканического пепла или туфа. Первоначально эта глина была названа тейлоритом по имени Вильяма Тэйлора, который первый обратил на нее внимание, но так как это название уже принадлежало другому минералу, ей дали новое название бентонит соответствующий названию горной местности ее залегания Бентон. Бентонитовые глины называют по- разному: монтмориллонитовые, смектитовые, бентонитовые, отбеливающие и фуллеровые земли. Под названием «сукновальные глины» или соответствующее ему латинское «фуллеровые земли» они использовались для изготовления шерстяных валяных изделий, для мытья грязных шерстяных одежд. Данный термин был применен академиком А.Б. Ферсманом в 1913 г. для описания месторождений. В последние годы на Западе вернулись к обозначению группы монтмориллонитовых минералов как смектитовых глин.

Цвет бентонита, как и его свойство, очень разнообразен. Обыкновенно он бывает светло-желтоватым, кремовым или темно-кремовым, но встречается также серый, темно-синий, зеленый, розовый, красный и желтый. В одних бентонитах встречаются мелкие зерна углекислого кальция или железа, в других – окислы марганца, гипс и кристаллы барита.

По физическим свойствам бентониты весьма разнообразны. Одни бентониты слегка набухают и рассыпаются в воде, но не образуют с ней пластичного теста. Другие, наоборот, сильно набухают, дают пластичное тесто и содержат значительное количество частиц, могущих довольно продолжительное время находиться во взвешенном состоянии. Это различие объясняется отчасти разной структурой и наличием солей, вызывающих флокуляцию и дефлокуляцию. Набухание происходит благодаря образованию водных пленок между отдельными пластичнообразными зернами.

В конце Х1Х в и в начале ХХ в сукновальные глины благодаря их высокой коллоидальности стали применяться как клеющий компонент песчаных частиц при получении литейных форм, для очистки бензина и керосина, смазочных масел и других нефтепродуктов [2-6].

Самым распространенным минералом в сукновальных глинах является монтмориллонит, который был химически охарактеризован и получил свое название в 1848 г. от ученых Демура и Сальвета, изучивших глины из окрестностей Монтмориллона провинции Виен (Франция) [2].

Таким образом, бентонитовыми или монтмориллонитовыми глинами называют глины, в которых преобладают монтмориллонитовая группа минералов (смектиты) следующих составов Al₂/Si₄O₁₀/(OH)_2nH₂O или (Ғе,Al)₂/Si₄O₁₀/(OH)₂ ^. nH₂O, т. е. молекулярное соотношение SiO₂ : Al₂О₃ = 4. Монтмориллонитовые глины на основе свойств подразделяются как бы на две группы: натриевые монтмориллониты, обладающие наибольшей дисперсностью и коллоидальностью, и кальциевые, обладающие высокими сорбционными свойствами.

Большое количество коллоидных глин во второй половине ХХ века стала потреблять нефтяная промышленность для приготовления буровых растворов. Начиная с этого периода благодаря высокой склеивающей способности высокодисперсные бентониты также нашли широкое применение для окомкования порошковых концентратов при обогащении железных и других руд [6].

Бентониты во многих странах используются в сельском хозяйстве как добавки в комбикорма, в пестициды (как клеющее вещество для удержания их на листьях растений), в медицине, в винодельческой и пищевой промышленности для очистки и осветления вин, соков, масел и жиров, при производстве керамических изделий. Выявлено применение непосредственно самих природных бентонитовых глин и их модифицированных форм в более 50 отраслях промышленности [7].

На применение бентонита ориентированы многие отрасли промышленности Казахстана. Например, с 1976 г. фарфоровый завод в г. Капчагае работает на бентоните, введение в состав огнеупорной массы около 5% бентонита позволяет получат фарфор, обладающий повышенной белизной до 72% и механической прочностью до 987 кг/см², с другой стороны позволяет снизить дефицит в огнеупорных беложгущихся глинах. С 2003 г. налажено производство бентонитового порошка на базе строительных трестов из Ильдесайского месторождения Саркандского района Алматинской области. В республике бентонитовые глины широко используются в стройиндустрии для упрочнения кирпича, керамических плит, асфальта; в металлургии для связывания порошкообразных руд в окатыши; в пищевой промышленности для очистки продуктов; в ирригации для защиты оросительных каналов от излишней фильтрации; в животноводстве как кормовая добавка, в медицине [8-9]. Из всех известных месторождений бентонитовых глин, таких, как Дарбазинское, Кынгракское (Южный Казахстан), впадины Карагие (полуостров Мангышлак), Кушмурунское, Верхнее-Убганское (Костанайская область), Андреевское, Ильдесайское (Алматинская область), лишь Таганское месторождение (его щелочная разновидность) отвечает самым высоким требованиям, предъявляемым медициной. Данный бентонит розового цвета, представлен на 90-95% минералом монтмориллонитом и считается один из самых лучших в мире, по многим показателям превосходит французскую «Смекту», нашедшую широкое применение в медицине.

Свойства бентонитовых глин определяется специфическими особенностями кристаллохимии и структуры основного минерала – диоктаэдрического монтмориллонита [10-13].

Монтмориллонит по особенностям пористой структуры относится к слоистым силикатам с расширяющейся структурной ячейкой. Молекулы воды в этом минерале играют роль компенсатора положительных и отрицательных зарядов, они образуют водородные связи с кислородами ОН-групп, координационно связанных с ионами магния октаэдрических сеток. Образование гидроксильных связей донорно-акцепторного типа приводит к определенной компенсации избыточных отрицательных зарядов локализованных на соответствующих ионах кислорода. Молекулы воды, участвующие в образовании водородных связей служат мостиком между силикатными слоями и молекулами воды гидратных слоев.

В процессе адсорбции полярных веществ в межпакетное пространство монтмориллонита внедряется один или несколько молекулярных слоев адсорбируемого вещества и электронная структура молекул адсорбата увеличивается на 3-10 А, т. е. у данного микропористого сорбента при адсорбции изменяется размер микропор. Для использования монтмориллонита для адсорбции инертных газов и углеводородов можно улучшить адсорбционные свойства его внешней поверхности обрабатывая горячими минеральными кислотами. Улучшение сорбционных свойств связано с частичным растворением оксидов алюминия, железа, магния в кислотах и образованием аморфного кремнезема [10-11].

Адсорбционные явления на природных адсорбентах и на их модифицированных активированных формах используются в различных природоохранных технологиях, например, в технологиях очистки природных и сточных вод, газовых выбросов [14-15], для регенерации технологических смазок и отработанных моторных масел и других отходов [16-17].

Для очистки и осушки природного газа от влаги и конденсата созданы и внедрены на газоконденсатных месторождениях Украины сорбенты на основе природного и активированного монтмориллонита, силикагеля и клиноптилолита [15].

Бентонитовые глины и другие глинистые минералы – каолинит, палыгорскит, клиноптиломит находят применение самостоятельно или в сочетании с традиционными каогулянтами или флокулянтами для осветления воды на очистных станциях, для очистки сточных вод животноводческих комплексов. При их присутствии резко сокращается время каогуляции необходимая потребность в сульфате алюминия.

В работах [14, 17-18] была показана целесообразность применения глин ряда месторождений (асканского, подмосковного) с целью глубокой очистки маслоэмульсионных сточных вод от поверхностно-активных веществ (ПАВ) и масел, сточных вод текстильных предприятий от красителей и ПАВ и возможность регенерации их с рекуперацией масел или использование отработанных глин в производстве строительной керамики.

Природные глины являются эффективными катализаторами при окислении сероводорода сернистым ангидридом и кислородом воздуха с получением элементарной серы, данный процесс служит для утилизации сероводорода из низкоконцентрированных кислых газов, отходящих с установок аминовой очистки Пермского ГПЗ [18].

Как известно [19-20] глинистые минералы обладают наряду с катионообменной и анионообменной способностью, обусловленной наличием группировок =А1–ОН, –Мg – ОН, = Fе – ОН, диссоцирующей в кислой, нейтральной и слабощелочных средах по основному типу. Благодаря наличию анионообменных центров они достаточно хорошо сорбируют ацетат-, фосфат-, гидросульфид-, фторид-, сульфат- ионы и именно на этом их свойстве основано применение гидрослюды, бентонитов, диатомита для очистки подземных вод от сернистых соединений.

Бентониты также находят применение в качестве мелиорирующего сорбента для повышения потенциального плодородия малоплодородных легких почв. Ф.Г. Шарафеевой [20] было установлено улучшения строения дерново-подзолистых почв, повышение содержания доступной для растений влаги при внесении 3-8 т/га бентонитовой глины и соответственно прибавка урожая люпина на 92,0-108,3 ц /га.

Бентонитовые и палыгорскитовые глины Черкасского месторождения имеющие высокую сорбционную способность были успешно использованы для дезактивации наружных и внутренних поверхностей зданий и сооружений после аварии на Чернобыльской АЭС.

Таким образом, из анализа литературных данных вытекает, что бентонитовые глины благодаря своим адсорбционным свойствам представляют ценное полезное ископаемое, используются в промышленности, сельском хозяйстве и начато их применение как в естественном состоянии, так и в виде активированных кислотами или содой формах для решения некоторых вопросов по охране окружающей среды. Но, однако, практически отсутствуют сведения об использовании бентонитовых глин для снижения токсичности ТМ и пестицидов, а также о их влиянии на процесс транслокации данных экотоксикатов в системе почва-растение.

Литература

1. Когановский А.М. Адсорбция из водных растворов и ее использование для защиты внешней среды. Материалы Всесоюзн. Сов. 23-24 мая 1985г. Адсорбенты и адсорбционные процессы в решении проблемы охраны природы. Кишинев: «Штиинца», 1986, С. 8-15.

2. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбция на глинистых минералах.-Киев: Наукова думка, 1975.

3. Адсорбенты и адсорбционные процессы в решении проблемы охраны природы.- Кишинев: «Штиинца», 1986, 146 с.

4. Адсорбция органических веществ из воды / под редакцией А.М. Когановский, Н.А. Клименко, Т.М. Левченко, И.Г. Рода.-Л.: Химия, 1990.-256 с.

5. Васильев Н.Г., Гончарук В.В. Природные силикаты: строение, свойства и реакционная способность.- Киев: Наук.думка, 1992.- 176 с.

6. Бентониты. М.: «Наука»,-1980-287 с.

7. Таран Н.Г. Адсорбенты и иониты в пищевой промышленности. М.:Легкая и пищевая промышленность, 1983.- 275 с.

8. Сапаргалиев Е.М. Тагансорбент – уникальный лекарственный препарат на основе бентонитовых глин Восточного Казахстана //Вестник АМ РК.- 1997, № 1- С.24-31.

9. Смирнова В.А., Монахова Л.И., Болотин О.А. Адсорбция альбумина монтмориллонитом.- Укр. Хим. Ж., 1977, т.43, № 5, С. 487-491.

10. Пинский Д.Л. Ионообменные процессы в почвах. Пущино, 1997.- 159 с.

11. Ропот В.М. , Кердиваренко М.А., Тарасевич Ю.И. Юрасова В.А. Природные сорбенты и их роль в решении проблемы охраны окружающей среды.Тр. междунар. конф. «Адсорбенты и адсорбционные процессы в решении проблемы охраны природы. Кишинев: Штиинца, 1986.- С.17-24.

12. Реброва Т.И., Кадырова З.О. Очистка сточных вод с помощью бентонитовых глин //Водооборот, очистка промышленных сточных вод и эксплуатация хвостохранилищ.-Алматы, 1983- вып. 26. – С.91-97.

13. Адрышев А.К., Струнникова Н.А., Даумова Г.К. Перспективы промышленного использования природных материалов для очистки сточных вод. //Вестник ВКГТУ , № 3, 2001.- Сю98-102.

14. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. Киев: Наукова думка,1981.- 212 с.

15. Тарасевич Ю.И. Физико-химические основы применения природных и полусинтетических сорбентов в процессах очистки воды. Тезисы докладов симпозиума «Адсорбционные процессы в решении проблем защиты окружающей среды».- Рига, 1991.- С. 3-7.

16. Батталова Ш. Каталитические и осветляющие свойства некоторых бентонитов Казахстана. Автореф. канд. дисс., Ташкент, 1968, 17 с.

17. Леонов С.Б., Мартынова Т.М., Черняк А.С., Салов В.М. Очистка природных и сточных вод минеральными цеолитами.- Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та, 1994.- 56 с.

18. Аблаева Л.А. Использование бентонитовых глин Кудринского месторождения для охраны окружающей среды. Автореф. канд. дисс., Киев, 2002, 18с.

19. Патент РФ 2257044. Способ повышения плодородия сельскохозяйственных земель. Опубл. 22.07.2005.

20. Шарафеева Ф.К. Применение бентонитовых глин для повышения плодородия легких дерново-подзолистых почв. /Бентониты: кн.-М.: Наука, 1980. С. 251-256.

Код для цитирования: Скопировать