Изучение физико-химических свойств глин месторождения "Красная горка" села Шуурмак

Министерство образования Республики Тыва

Управление образования при администрации Тес-Хемского кожууна

МБОУ Шуурмакская СОШ

Исследовательская работа по химии на тему:

«Изучение химических свойств

глины месторождения Красная Горка

села Шуурмак»

Ф.И. автора: ученица 11 класса Соян Цэцэх

             Место учебы: Шуурмакская средняя общеобразовательная школа

Научный руководитель: учитель химии,

 Чамгын-оол Альбина Вячеславовна

Шуурмак – 2013г.

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………….3
2. Технологическая схема исследование глины месторождения Красная горка села Шуурмак………………………………………………………4
3. Кислотная активация глин………………………………………………...5
4. Исследование химического состава исходной и активированной  глины………………………………………………………………………..7
5. Выводы…………………………………………………………………….15
6. Список литературы…………………………………………………….…16

Введение

На территории Тувы насчитывается более ста месторождений глинистых минералов различающихся по химическому и минералогическому составу, структуре и физико-химическим свойствам. Глины относятся к полезным ископаемым, имеющим большое практическое значение для развития строительства и промышленности в Республике Тыва. Местные глины – не только доступное и дешевое сырье для получения кирпича, керамической черепицы и плитки, но их также можно использовать в качестве адсорбентов и катализаторов, которые используются для очистки красок, вин, масел, в текстильной промышленности и т.д. Поэтому необходимо иметь полную информацию о химическом и минералогическом составе глин, их свойствах, поведении в процессе технологической переработки, формования, обжига и т.д.

Объект исследования очень доступен, актуален и полезен, т.к. Председатель РТ Ш.В. Кара-оол призвал республику реализовать проект «Один продукт – одно село».

Цель исследовательской работы заключалась в изучении физико-химических свойств месторождения  глины Красная Горка, в установлении взаимосвязи изменений состава и свойств глины при кислотной активации. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Определение химического состава;
2. Модифицирование поверхности глины соляной кислотой;
3. Определение химического состава  активированной глины.

1. Технологическая схема исследования глины месторождения Красная горка села Шуурмак

Глинистые минералы широко используются в качестве эффективных строительных материалов (кирпич, черепица, плитка и т.д.), также перспективно получение на их основе адсорбентов, катализаторов, очистителей вин, масел, красок, использование в текстильной промышленности и т.д. Поэтому необходимо иметь полную информацию о химическом и минералогическом составе глин, их свойствах, поведении в процессе технологической переработки, формования, обжига и т.д.

Объектом исследования является глина месторождения Красная Горка села Шуурмак.

Целью данной работы является изучение физико-химических свойств глины месторождения Красная Горка села Шуурмак .

Исходя из цели, были поставлены следующие задачи:

1. Определение химического состава;
2. Модифицирование поверхности глины соляной кислотой;
3. Определение химического состава активированной глины.

На рисунке 2 представлена схема исследования глинистых минералов.

Рис. 1. Схема анализа глин.

Реактивы: смесь минеральных кислот – к 100 мл воды при перемешивании прибавляют 45 мл H2SO4 (ρ=1,84 г/мл), после охлаждении приливают 53,5 мл HCl (ρ=1,19 г/мл) и 4,5 HNO3 (ρ=1,4 г/мл); раствор сульфосалициловой кислоты (ω – 25%); раствор трилона Б (с=0,05 моль/л), раствор аммиака (ω=10%); ацетатный буферный раствор (рН=5,4) – к 60 мл раствора СН3СООН (с=1моль/л) прибавляют 50 мл раствора NaOH (с=1моль/л); водный раствор ксиленолового оранжевого (ω=0,5%); раствор ZnCl2 (ZnSO4) (с=0,05 моль/л); раствор NH4NO3 (ω=2%); аммиачный буферный раствор – 10мл 20%-го раствора NH4Cl смешивают с 10мл 20%-го раствора аммиака и разбавляют водой до 100 мл; кислотный хром черный и мурексид – 1%-ая смесь индикатора с твердым NaCl; раствор NaOH (с=2моль/л); универсальная индикаторная бумага.

Оборудование: фарфоровая чашка диаметром 8см, мерные цилиндры на 50 и 100мл, мерная колба на 500мл, колбы для титрования вместимостью 200мл, бюретки, фарфоровый тигель, тигельные щипцы, электроплитка, сушильный шкаф, муфельная печь, обеззоленные фильтры.

Химический состав глин определяли с помощью разложения глины смесью кислот (H2SO4+HCl+HNO3), определяли  содержание оксидов кремния, железа, алюминия.

Была проведена кислотная активация глин для увеличения их адсорбционной и осветляющей способности.

2. Кислотная активация глин

          Кислотная активация глин широко используется в промышленности для повышения адсорбционной и осветляющей способности малоактивных глин [9. Работами многих авторов [8,9], было показано, что лучшими активаторами являются минеральные кислоты - серная и соляная, но более глубокое разрушение решетки глинистого минерала вызывает соляная кислота.

          Скорость активации глин и ее результаты зависят от ряда причин и в первую очередь от природы активирующей кислоты, ее концентрации, от соотношения количеств кислоты и глины, от температуры и продолжительности обработки, а также от минералогического состава глин. Как показали данные химического состава глин до и после кислотной обработки, процесс активации сопровождается вымыванием из глин окиси алюминия, железа, щелочей и щелочных земель [8. При этом степень растворимости окислов в разных минералах колеблется в широких пределах [8. Одновременно с изменением химического состава в активированной глине происходит изменение ее физической структуры, сопровождающееся, образованием дополнительной пористости, увеличением удельной поверхности и сорбционного потенциала [8.  Потеря механической прочности глин после кислотной активации является основным препятствием для использования их в качестве адсорбентов при перколяционном и парофазном методах очистки веществ. Возникает вопрос: как нужно вести процесс кислотной активации глин, чтобы получить адсорбент не только с высоким сорбционным свойством, но и с соответствующей механической прочностью.

          Для решения данного вопроса авторами [8 разработан метод кислотной активации, который позволяет значительно увеличить сорбционную емкость активированных глин, повысить их механическую прочность и выход готовой продукции.

         В нашей работе на основе данного метода проведена кислотная активация глины месторождения Красная Горка.

          Проба глины измельчалась в ступке, затем высушивалась до постоянной массы в сушильном шкафу при постоянной температуре 100-1050С в течение 2-х часов. Из высушенной пробы бралась навеска по 10г.          В колбу с навеской глины приливается  10мл 20% раствора соляной кислоты.

Глины с раствором HCl нагревали при перемешивании на водяной бане в течение 4 часов, температура водяной бани не превышала 80–90 0С. При нагревании на водяной бане происходит испарение воды, чтобы этого избежать в колбу, активируемую соляной кислотой было добавлено  10мл  соляной кислоты. По окончании процесса кислотной активации  колба охлаждалась до 15-200С, после чего в нее постепенно добавляли водный раствор аммиака и при перемешивании производили совместное осаждение гидроокисей железа и алюминия с глиной.  Осаждение гидроокисей производили при pH=6,5-7. Полученный таким образом глинисто-гидроокисный осадок отмывали от аммонийных солей до полного их исчезновения в промывных водах, проверяли раствором Несслера. После промывки осадок сушился при температуре 105-1100.

После окончания процесса кислотной активации наблюдается потеря веса глины, вследствие отмывания осадка от аммонийных солей. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Масса активированной глины

Результаты исследования представлены на рисунке 2.

3. Исследование химического состава исходной и активированной  глины

В глинистых минералах (исходной и активированной) определяли содержание оксидов кремния, железа, алюминия, кальция и суммарного количества Оксидов железа, алюминия и титана.

Так как SiO2 является одним из главных компонентов алюмосиликатов, определение химического состава начали именно с разложения глины смесью кислот и определения оксида кремния. Навески, измельченные и высушенные при 105-110оС, глины массой 2г помещали в фарфоровые чашки и приливали по 30мл смеси кислот. Смеси выпаривали на электроплитке в течение 15мин до объема 5-10мл (под тягой). Под действием кислот происходит растворение глинистых минералов с образованием солей. Исходная окраска глины исчезает, и раствор приобретает зеленоватый цвет. В осадке остаются кремниевые кислоты, которые при нагревании разлагаются на оксид кремния и воду. Чашки с растворами и осадками охлаждали и добавляли по 50мл дистиллированной воды, перемешивали содержимое и нагревали 10мин при 80-90оС до полного растворения образовавшихся солей. Горячие растворы с осадками сливали при помощи стеклянной палочки на обеззоленные фильтры, фильтраты собирали в мерные колбы на 500мл и доливали водой до метки. Осадки на фильтрах промывали горячей водой, высушивали и помещали во взвешенные тигли, озоляли и прокаливали в муфельной печи при 900оС до постоянной массы. Исходя из массы прокаленного осадка и массы глины, вычисляли массовую долю SiO2. В итоге получили следующие результаты:

Таблица 2

Содержание SiO2 (%) в глине

Результаты исследования представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Содержание SiO2(%) в исходной и активированной глинах.

Как видно из рисунка 2, содержание  SiO2 после обработки глины соляной кислотой значительно увеличивается. Увеличение содержания SiO2 объясняется тем, что в ходе кислотной активации происходит вытеснение из минерала щелочных и щелочноземельных металлов, железа и алюминия с образованием в структуре ненасыщенных связей.

Железо (III), как d-элемент, с не полностью заполненным d-уровнем обладает хромофорным действием, поэтому для его определения можно использовать комплексонометрический метод, который основан на способности трилона Б при рН=1-1,5 образовывать с ионом железа малодисоциированный комплекс:

       НООСН2С                                            CH2COONa

                        N – CH2 – CH2 – N                           + Fe3+ →

     NaOOCH2C                                            CH2COOH

                                          Fe

    OOCH2C                                              CH2COONa

                           N – CH2 – CH2 – N                                   + 2H+

NaOOCH2C                                             CH2COO

В этой реакции в качестве индикатора используют сульфосалициловую кислоту, которая в сильнокислой среде образует с ионом трехвалентного железа растворимое соединение лилово-красного цвета. в точке эквивалентности окраска исчезает, поскольку трилон Б извлекает железо из его соединения с сульфосалициловой кислотой. Интервал кислотности, в котором развивается лиловая окраска сульфосалицилата железа, невелик, поэтому при выполнении анализа необходимо тщательно контролировать рН раствора. Как уже отмечалось, молярный коэффициент погашения сульфосалицилата железа невелик, поэтому переход окраски при комплексонометрическом титровании железа не резкий. В отдельной порции фильтрата сначала проводили качественную реакцию на обнаружение ионов Fe3+ действием желтой кровяной соли  K4[Fe(CN)6] по характерному окрашиванию:

4Fe3+ + 3Fe(CN)4-6 → Fe4[Fe(CN)6]3

                                                  Темно-синий

Для количественного определения Fe2O3 отмеряли 50мл фильтрата в колбу для титрования, добавляли 10 капель раствора сульфосалициловой кислоты и титровали трилоном Б до перехода красной окраски на светло-желтую. По результатам титрования рассчитали содержание оксида железа(%) по следующей формуле:

ω(Fe2O3)=100%,

где с и V – концентрация (моль/л) и объём (мл) раствора трилона Б, пошедшего на титрование; Vф – общий объём фильтрата (500 мл); Vпр – объем пробы для анализа (50 мл), m – масса сухой глины (г), 80 – коэффициент пересчета на Fe2O3.

Пример расчета содержания Fe2O3 в глине:

% = 8,8%

Полученные результаты представлены в таблице 3 и на рисунке 3.

Таблица 3

Содержание Fe2O3(%) в исходной и активированных глинах

Рис. 4. Содержание Fe2O3 в исходной и активированных глинах

Из рисунка 3 видно, что в активированной глине содержание оксида железа уменьшилось вследствие восстановления  Fe3+ до Fe2+ в процессе активации глины кислотой. Также в химическом отношении железистые соединения в глинистых породах играют не только красящую роль, но и интенсифицируют спекание керамических масс при определенных термодинамических условиях, поэтому вследствие модификационных превращений, изменяемой стехиометрии и химической активности они оказывают двоякое воздействие на спекание керамических масс. Несомненно, влияние железистых соединений на спекание зависит от их содержания в исходном сырье [12].

Оксид алюминия в нашей исследуемой глине присутствует в количестве 15 – 17%, что позволяет отнести эту глинистую породу к полукислым. Содержание Al2O3 менее 20% указывает на преимущественно монтмориллонитовый состав глинистой породы. Алюминий, также как и железо, образует с гидроксид – ионом гидроксокомплексы, поэтому титрование трилоном Б можно проводить лишь в кислой среде. Показано, что образованием гидрокомплексов можно пренебречь, если вести титрование при рН ниже 3,3. Но в этих условиях эффективная константа устойчивости комплекса невелика и скачок на кривой титрования выражен нечетко. Поэтому алюминий, как правило, определяют методом обратного титрования.

В связи с тем, что алюминий медленно реагирует с трилоном Б, реакцию проводят при нагревании раствора. Нагревание необходимо и при использовании метода обратного титрования, т.к. титрование избытка комплексона можно считать лишь после того, как закончится взаимодействие алюминия с трилоном Б:

       НООСН2С                                            CH2COONa

                        N – CH2 – CH2 – N                           + Al3+ →

     NaOOCH2C                                            CH2COOH

                                          Al

    OOCH2C                                              CH2COONa

                           N – CH2 – CH2 – N                                   + 2H+

NaOOCH2C                                             CH2COO

В связи с тем, что алюминий легко взаимодействует с гидроксид-ионами и образует гидрокомплексы, необходимо избегать даже локального увеличения концентрации гидроксид-ионов и частичного образования гидроксосоединений алюминия, которые разрушаются очень медленно. Поэтому при выполнении анализа целесообразно кислотность раствора уменьшать NH4OH. Нужное для проведения анализа более высокое значение рН целесообразно устанавливать, прибавляя буферный раствор. Обратное титрование избытка трилона Б проводят раствором, содержащим ионы Zn2+ . При титровании избытка трилона Б растворами цинковых солей в качестве индикатора может быть использован ксиленоловый оранжевый:

2Ind + Zn2+ → Zn(Ind)2 + 2H+

Для определения содержания Al2O3 в исходной и активированной глинах, к пробе фильтрата, в которой оттитровывали ионы Fe3+, прибавили из бюретки 10мл раствора трилона Б, нагревали до кипения и кипятили 2-3мин. Затем раствор охлаждали до 40-50оС, вносили в него кусочек универсальной индикаторной бумаги, добавляли по каплям раствор аммиака до изменения цвета бумаги на желтый (рН=5) и 20мл ацетатного буферного раствора. Далее вносили 2-3 капли ксиленолового оранжевого и оттитровывали избыток трилона Б раствором сульфата цинка до изменения желтой окраски на красную. Содержание Al2O3 (%) вычисляли по формуле:

100%,

где с1 и V1 – концентрация (моль/л) и объем (мл) добавленного в пробу раствора трилона Б; с2 и V2 – концентрация (моль/л) и объем (мл) раствора ZnSO4, пошедшего на титрование; 51 – коэффициент пересчета на Al2O3.

Пример расчета содержания Al2O3 в глине:

Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4

Содержание Al2O3(%) в исходной и активированной глинах

Рис. 5. Содержание Al2O3(%) в исходной и активированной глинах

Уменьшение содержания Al2O3 в активированной глине объясняется его растворением в фильтрате и вымыванием из раствора вместе с другими оксидами.

Выводы

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Определен химический состав глины месторождения Красная Горка села Шуурмак, которые характеризуются повышенным содержанием оксидов кремния, алюминия и железа.
2. Активация  глины соляной кислотой приводит к разрушению её физической структуры, которое сопровождается  изменением её  химического состава.  
3. Результаты исследования физико-химических свойств глинистых минералов могут быть использованы для разработки методов получения адсорбентов, используемых для очистки сточных вод, масел, красок, вина и т.д.
4. Данная исследовательская работа нуждается в дальнейшей исследовательской деятельности.

Список используемой литературы

1. Веденива Н.Ф. Метод исследования глинистых минералов при помощи красителей / Н.Ф. Веденива и др.- Изд-во Львовского гос. Ун-та, 1956.
2. Волков В.Н. Определение химического состава местных глин /В.Н. Волков, М.Л. Давтян, Л.А. Волкова // Химия в школе. – 2006.№3.-С.63-66.
3. Ильин А.П. Прокопьев В.Ю. Физико-химическая механика в технологии катализаторов и сорбентов / А.П. Ильин.- Иваново, 2004.- 309с.
4. Исследования по применению новых методов анализа минерального сырья. Министерство геологии Каз. ССР. Каз. Науч.- исслед. ин-т минер. Сырья. – Алма-Ата, Казиис, 1980-119с.
5. Кара-Сал Б.К. Влияние газовой среды на спекание керамических масс при пониженном давлении / Б.К. Кара-Сал // Изв. Вузов.Сер.Строительство.-2000.-№2-3.44-47с.
6. Кара-Сал Б.К., Завадский В.Ф. Производство стеновых и теплоизоляционных изделий. Учеб.пособие / Б.К. Кара-Сал, В.Ф. Завадский. – Кызыл, ТывГУ, 2004. 81с.
7. Киселев А.В. //Сб. трудов конференции по адсорбции. - Изд-во МГУ, 1957, с.90.
8. Комаров В.С., Ермоленко Н.Ф., Варламов В.И. Получение высокоактивного, механически прочного глинисто-гидроокисного адсорбента путем кислотной активации / В.С. Комаров и др. // Химическая технология.-1961.№5.-С.665-668.
9.  Комаров В.С. Адсорбционно-структурные, физико-химические и каталитические свойства глин Белоруссии / В.С. Комаров.-Минск, «Наука и техника», 1970
10. Кравец Т.Н. и др. Изв. АН.СССр, серия физич .Т14, №4, 1950,-с. 99.