8.4. Энергетическая активность минералов и горных пород

Качество минерального материала определяется степенью дис­персности и кристаллохимическими особенностями (топохимией) поверхности его частиц. Дроблением грубозернистых минеральных материалов обеспечивается получение частиц разных размеров и формы, что позволяет разделять их на фракции. При измельчении мелкозернистых материалов увеличивается удельная поверхность и повышается ее физико-химическая и химическая активность. После­довательное уменьшение размеров частиц в процессе измельчения минералов и горных пород сопровождается быстрым увеличением их' суммарной и удельной поверхности (см. рис. 2.2). С увеличением удельной поверхности материалов повышаются ее потенциальные энергии и способность переходить в другую фазу, например путем растворения частиц. При механическом измельчении нарушаются некоторые химические связи с образованием на поверхности частиц групп свободных радикалов и свободных ионов с нескомпенсиро­ванными зарядами, например катионов Ca²⁺ и комплексных анио­нов (CO₃)^2- при нарушении связей между ними в кристаллической решетке кальцита, или же появлением ненасыщенных катионов Ca²⁺ и анионных тетраэдрических групп SO₄^2- при дроблении гипса. Об­разующиеся при этом частицы — обломки кристаллических реше­ток — становятся сложными пространственными системами, взаи­модействующими с внешней средой как сложные электрические поля, знак и величина которых зависят от химического состава ве­щества, характера строения и размера частиц. Свежеобразованная поверхность минеральных частиц обладает повышенной реакцион­ной способностью, причем она может заряжаться преимущественно положительно, как, например, у кальцита, или отрицательно, как у кварца, или оказаться нейтральной, как у графита.

Путем сухого измельчения минеральных материалов можно по­лучить порошки с различными кристаллохимическими особенно­стями: а) с высоким потенциалом положительного знака и большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ на поверхности частиц — из кальцита, доломита, известняка; б) с высоким потенциалом отрицательного знака и значительным коли­чеством адсорбционных центров в виде ионов O^2- — из кварца, кремния, каолинита, гранита, трахита, вулканического туфа; в) с по­ниженным потенциалом отрицательного знака в связи с наличием на поверхности их частиц катионов различной валентности K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ и др. — при измельчении полевого шпата, слюд, роговой обманки, авгита, асбеста, гидрослюд, гипса, габбро, диабаза и др.; г) с преимущественно нейтральной поверхностью час­тиц — полученные из талька и графита. Частичное нарушение хи­мических связей, вызываемое измельчением материалов, способст­вует появлению на поверхности частиц химических центров с повышенной активностью, эффективность проявления которой при взаимодействии с реагентами окружающей среды (вода, щелочные и кислотные растворы и др.) определяется характером и составом по­следней. Обычно создаются благоприятные условия Для протекания физико-химических процессов на границе раздела фаз в виде смачи­вания, адсорбции, растворения и т. п.

Одной из предпосылок обоснованного выбора исходного мате­риала является прогнозирование энергетических свойств его поверх­ности в высокодисперсном порошкообразном состоянии, в том чис­ле с изменением знака потенциала на границе раздела фаз. Примером сохранения или изменения кристаллохимических особен­ностей высокодисперсных минеральных материалов может служить использование сухого свежеизготовленного порошка хризотил-ас­беста в двухкомпонентных битумоминеральных смесях или же в сложных системах — при производстве асбестоцементных изделий мокрым способом. В первом случае при приготовлении асфальто-вяжущего вещества на основе битума сухой хризотил-асбестовый по­рошок при соединении с последним сохраняет свой несколько пони­женный отрицательный потенциал поверхности частиц, не обеспечивающий достаточно прочного взаимодействия их с ПАВ (свободными асфальтогеновыми кислотами, асфальтенами) битума на границе раздела фаз, которое несколько компенсируется механи­ческим армированием битумоминеральной смеси тончайшими (до 0,1μ и меньше) эластическими волокнами асбеста.

Последующее контактирование битумно-асбестового вещества с водой, т. е. появление в этой системе новой (водной) фазы, сопро­вождается резким снижением его структурно-механических свойств. Значительная часть пленочного битума, слабо связанного с поверх­ностью асбестовых частиц, при этом снова переводится в свободное состояние полярными молекулами воды, которые одновременно гидратируют освободившуюся поверхность асбестовых частиц. По­верхностно-активные вещества битума, потерявшие адсорбционную связь с частицами асбеста, становятся активными гидрофильными центрами в системе, особенно сильно гидратируя и ухудшая ее свой­ства с повышением дисперсности и количества асбестового порош­ка. При этом возможно изменение отрицательного знака потенциа­ла поверхности частиц хризотил-асбеста на положительный в результате ее перезарядки. Последняя может быть вызвана преиму­щественным отщеплением ионов (ОН)^- с их поверхности молекула­ми воды и возникающим на ней вследствие этого избытком положи­тельных ионов Mg²⁺.

При производстве асбестоцементных изделий мокрым способом хризотил-асбест является составной частью сложной системы ас­бест — цемент — водный раствор гипса, извести и щелочей. Свойст­ва его поверхности начинают быстро изменяться на границе с во­дной, щелочной или другими средами, приобретая положительный потенциал, около 100 mv, за счет перезарядки поверхностного слоя частичек (волоконец) асбеста, которые состоят из гидроксильных групп (ОН)^-, соединенных со смежным внутренним слоем из ионов Mg²⁺. Значительная поверхностная активность этих щелочных групп при их частичном растворении или притяжении ионов проти­воположного знака обеспечивает появление явно выраженного по­ложительного заряда хризотил-асбеста. С этими явлениями связаны эффективность технологического процесса получения асбестоцементной продукции и ее качество, которые определяются характером реакций, протекающих на поверхности раздела компонентов в сис­теме, и зависят от фильтрующей способности асбестоцементной сус­пензии, т. е. от поверхностных свойств твердых асбестовых частиц и раствора, в котором они диспергированы. Размеры седиментационного объема при фильтрации асбестоцементной суспензии связаны обратной зависимостью с величиной поверхностных зарядов час­тиц. При хризотил-асбестовом компоненте с его сравнительно большим зарядом имеет место значительное отталкивание частиц, пре­пятствующее их слипанию, и возникают малые седиментационные объемы с плотной упаковкой твердых частиц, пониженной водопро­ницаемостью и повышенной тенденцией к самоуплотнению, кото­рые мешают регулировать плотность продукции.

При использовании хризотил-асбеста из верхних горизонтов месторождений его внешний бруситовый слой Mg(OH)₂ может ока­заться нарушенным вследствие выветривания. Во взаимодействие с жидкой средой вступает тогда более глубокий слой кремнекисло-родных тетраэдров, что вызывает образование тончайшего слоя кремнекислоты H₂SiO₃, диссоциирующей с отщеплением преимуще­ственно ионов Н⁺. Оставшиеся при этом на поверхности частиц ионы SiO₃^2- сообщают им отрицательный заряд, а подвергшийся вы­ветриванию хризотил-асбест по знаку потенциала напоминает амфиболовый асбест. Эта последняя разновидность асбеста характери­зуется небольшим отрицательным зарядом и способностью образовывать беспорядочно ориентированные сетчатые асбестоцементные структуры с хорошими фильтрационными свойствами (очень важными при производстве асбестоцемента).

При измельчении минеральных материалов рациональный предел степени дисперсности устанавливают опытным путем. С его превыше­нием энергетическая активность поверхности настолько возрастает, что происходит самопроизвольное агрегирование частиц с появлени­ем комковатости, уменьшением удельной поверхности и однород­ности. Возрастает опасность потери поверхностной активности порошкообразного материала в период длительного его хранения, что снижает прочность сцепления частиц с вяжущими веществами. Потребуется ввести в помольную установку ПАВ, чтобы экраниро­вать с их помощью возникающую новую поверхность с повышенной энергетической активностью и, возможно, с иным электрозарядом.

Повышение энергетической активности минеральных природных веществ происходит не только в результате принудительного диспер­гирования при механическом измельчении минералов и горных по­род. Исследования, проведенные на побочных продуктах Курской магнитной аномалии, получаемых при разработке полезных ископае­мых с больших глубин карьеров (глубже 500 м), показали их повышен­ную энергетическую и химическую активность. В природных условиях она возникает за счет коррозии пород, особенно кварцесодержащих, образования метаморфизированных структур под влиянием высоких давлений и температур, возникновения дефектов и существенного снижения структурной упорядоченности кристаллов с полным или ча­стичным разрушением кристаллических решеток породообразующих минералов. Отмечен также синтез новых химических соединений в твердой фазе с участием тонкодисперсного кварца с корродированной поверхностью в толще коры выветривания.