2.4 Катіонний обмін у глинистих суспензіях. Обмінна ємкість глинистих мінералів

Наведені раніше кристалічні структури глинистих мінералів є ідеальними, а реальні ж структури глинистих кристалів характеризуються рядом недосконалостей і в першу чергу до цих недосконалостей відноситься нестехіометричне заміщення катіонів. Під час нестехіометричного заміщення атомів кремнію і алюмінію, які входять до кристалічної гратки глинистих мінералів, елементарні частинки глин для компенсації ненасиченої валентності адсорбують із оточуючого середовища катіони. Катіони адсорбуються на бокових поверхнях глин, компенсуючи атомні заміщення у кристалічній структурі. Катіони і аніони утримуються також на ребрах завдяки тому, що розриви в кристалічних структурах вздовж осі С спричиняють розриви валентних зв’язків. У водній суспензії обидва види іонів можуть вступити в обмінні реакції з іонами основного розчину. Катіони здатні до дисоціації та еквівалентного зворотного обміну із іншими катіонами, які знаходяться у розчині і тому вони називаються обмінні.

У відповідності із законом дії мас іоннообмінна реакція залежить основним чином від відносної концентрації різних іонів у кожній фазі. Наприклад, просто виразити для одновалентних іонів двох видів рівняння іонного обміну

= К , (2.1)

де А_р; В_р –мольні концентрації іонів двох видів у розчині; А_гл; В_гл – мольні концентрації іонів двох видів у глині; К – постійна іоннообмінної рівноваги.

Коли К > 1 адсорбується іон А.

Здатність глин поглинати із оточуючого середовища та виділяти еквівалентну кількість інших іонів, які знаходяться у даному мінералі в обмінному стані, називається обмінною здатністю глин. Вона характеризується обмінною ємкістю поглинання, яка визначається кількістю обмінних катіонів у міліеквівалентах на 100 г сухої глини.

В таблиці 2.1. наведені значення обмінної ємності для вищерозглянутих глинистих мінералів.

Аніонна здатність глин на багато менша їх іонної здатності і її важко визначити в зв’язку з незначною кількістю аніонів, які приймають участь в іоннообмінних реакціях.

Поглинання катіонів прискорюється із ростом їх концентрації в розчині і температури оточуючого середовища. У випадку присутності двох катіонів різної валентності першим адсорбуватиметься іон із більш високою валентністю. При однаковій валентності адсорбуватиметься першим іон із більшою атомною вагою. По здатності адсорбуватися ( входити у поглинаючий комплекс ) катіони стають у такій послідовності:

H ⁺ > Al ³⁺ > Ca ³⁺ > Mg ²⁺ > K ⁺ > Na ⁺ > Li ⁺ ,

Слід зазначити, що водень сильно адсорбується тому, що рН також суттєво впливає на катіоннообмінні реакції. Із збільшенням об’єму іону зростає його полярність і він ближче підходить до зарядженої глинистої частинки, що сприяє входженню цього іону в адсорбційний прошарок поглинаючого комплексу.

Отож з глини з високою обмінною ємністю краще диспергується у воді і формують в’язкі глинисті суспензії.

ЛЕКЦІЯ № 3

ВЗАЄМОДІЯ ГЛИНИ ІЗ ВОДОЮ. ГІДРАТАЦІЯ,

ДИСПЕРГУВАННЯ ТА БУБНЯВІННЯ ГЛИНИСТИХ

МІНЕРАЛІВ. БУДОВА ГЛИНИСТИХ ЧАСТИНОК У

ВОДНІЙ СУСПЕНЗІЇ СТІЙКІСТЬ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ ТА КОЛОЇДНИЙ ЗАХИСТ

3.1 Взаємодія глини з водою

Глинисті частинки у сухому вигляді електронейтральні, оскільки аніони алюмосилікатного ядра компенсуються позитивними іонами, які знаходяться як у кристалічній гратці глинистого мінералу, так і на поверхні тетраедрів і октаедрів.

Важливою особливістю глин є їх здатність до зв’язування великої кількості води.

Ця взаємодія відбувається через процеси гідратації, диспергування і бубнявіння (набрякання).

В першому наближенні ці процеси можна описати таким чином:

Внаслідок контакту з водою спостерігається адсорбція молекул води дисперсійного середовища на поверхні глинистих частинок (дисперсної фази). Таким чином спостерігаємо інтенсивне змочування глини водою. Цей процес протікає завдяки поверхневим силам, під дією яких вода і проникає між агрегатами і первинними глинистими елементами кристалічної гратки, формуючи гідратні пари. Власне, зв’язування молекул води на поверхні глинистих мінералів і є гідратація. А ті місця, де цей процес відбувається називаються активні центри поверхні твердої фази (АЦПТФ).

Природа АЦПТФ різноманітна залежить від сколів кристалів і координаційно ненасичених атомів, а кількість АЦПТФ залежить від енергетичного рельєфу, а окремі комірки є енергетичні ями.

Продовжуючи гідратаційні процеси гідратні пари розсувають первинні елементи з подальшим їх руйнуванням (диспергування) і утворенням ще дрібніших частинок глинистої фази.

Ці дрібні елементи продовжують адсорбувати на своїх поверхнях молекулярні шари води і кристалічна гратка глинистих мінералів починає розшарюватися, що і є причиною збільшення первинного об’єму глини (набрякання).

, (3.1)

де – збільшення об’єму твердої фази; – питома поверхня твердої фази; – товщина гідратного шару; – площа активної поверхні внутрі кристалічних шарів; – товщина внутрікристалічних шарів рідини.

Таким чином, на підставі вищенаведеного зазначимо, що взаємодія глини з водою відбувається завдяки таким фізико-хімічним процесам:

1. Адсорбція молекул води на поверхні глинистого мінералу і зв’язування цієї молекули.

2. Обмін катіонами між Д.Ф. і Д.С.

3. Дисоціація глинистого мінералу з виділенням катіонів Na⁺, K⁺, Ca^2-, Mg²⁺.

4. Гідроліз полімерного ланцюжка глини із збільшенням сили розриву між частинками, втрата зв’язку і зменшення їх розмірів.

5. Набрякання глинистих мінералів із збільшенням об’єму частинок і продовження руйнування зв’язку між ними.

Всі ці процеси знаходяться під впливом і залежить від мінерального складу глин і природи обмінних катіонів.