Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительное материаловедение

Энергетическая активность минералов и горных пород


Энергетическая активность минералов и горных пород

Качество минерального материала определяется степенью дисперсности и кристаллохимическйми 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 некомпенсированными зарядами, например катионов Са2+ и комплексных анионов (СОз)2- при нарушении связей между ними в кристаллической решетке кальцита, или же появлением ненасыщенных катионов Са2+ и анионных тетраэдрических групп S042- 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 кристаллохимическйми особенностями: а) с высоким потенциалом положительного знака и большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са2+ и Mg2+ на поверхности частиц — из кальцита, доломита, известняка; б) с высоким потенциалом отрицательного знака и значительным количеством адсорбционных центров в виде ионов О2- — 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 К+, Na+, Са2+, 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 асфальтовя-жущего 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 0,1ц 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 седиментацион-ного 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 НгЗЮз, диссоциирующей с отщеплением преимущественно ионов Н+. Оставшиеся при этом на поверхности частиц ионы SiOs2- сообщают им отрицательный заряд, а подвергшийся выветриванию хризотил-асбест по знаку потенциала напоминает ам-фиболовый асбест. Эта последняя разновидность асбеста характеризуется небольшим отрицательным зарядом и способностью образовывать беспорядочно ориентированные сетчатые асбестоце-ментные структуры с хорощими 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.





Похожие статьи:
Строительные термины и определения

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительное материаловедение

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум