Интеркаляция ССМ растворами электролитов – эффективный прием уменьшения огневой усадки керамики

В настоящее время сапонит получил широкое распространение в различных отраслях промышленности. Вместе с тем следует отметить, что известные в настоящее время условия использования этого минерала связаны с применением полиминеральной системы, в которой сапонит является составной частью с уровнем содержания до 60–65%. Так, сапонитсодержащий материал (ССМ), выделяемый из суспензии оборотной воды при обогащении кимберлитовых руд, является одним из побочных продуктов добычи. Однако для достижения необходимых свойств в плане проектируемых продуктов, в том числе и керамических изделий, практически всегда требуется предварительная физико-химическая обработка ССМ. Природный сапонит содержит значительное количество связанной воды, удаление которой при повышенной температуре приводит к сжатию базального межслойного пространства минерала, усадке материала и образованию микротрещин. Исходя из этого целью работы явилась оценка перспективности использования интеркаляции растворами электролитов как метода модификации сапонитсодержащего материала, позволяющего свести к минимуму огневую усадку. В ходе исследования было установлено, что интеркаляция сапонита катионами железа и магния положительно влияет на обжиговые свойства этого минерала вследствие изменения его межпакетного расстояния. В частности, это приводит к уменьшению огневой усадки в 2–4 раза за счет сдерживания сближения смежных кремнекислородных слоев, а также к снижению температуры спекания (в данном случае магний и железо выступают в качестве флюса) и к увеличению прочности при сжатии при сохранении относительно небольшой плотности. При исследовании ИК-спектров анализируемых образцов были найдены характеристические полосы, подтверждающие успешное внедрение ионов металлов в межпакетное пространство. Данные исследования служат предпосылкой дальнейшей комплексной модификации сапонитсодержащего материала с целью сокращения огневой усадки.

В.В. КЛИПА, аспирант (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
В.Е. ДАНИЛОВ, канд. техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
А.М. АЙЗЕНШТАДТ, д-р хим. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
М.А. ФРОЛОВА, канд. хим. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Северный (Арктический) федеральный университет (САФУ) им. М.В. Ломоносова (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 22)

1. Шпилевая (Вержак) Д.В., Гаранин К.В. Алмазные месторождения Архангельской области и экологические проблемы их освоения // Вестник Московского университета. Сер. 4, Геология. 2005. № 6. С. 18–26. EDN: ­HTXTGP
2. Морозова М.В., Айзенштадт А.М., Фролова М.А., Махова Т.А. Использование сапонитсодержащих отходов в качестве компонента сухой строительной смеси для мелкозернистых бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 4. С. 137–141. EDN: ­VCNHYR
3. Савоненков В.Г., Андерсон Е.Б., Шабалев С.И. Глины как геологическая среда для изоляции радиоактивных отходов. СПб.: Росатом, 2012. 215 с.
4. Зубкова О.С., Пягай И.Н., Панкратьева К.А., Торопчина М.А. Разработка состава и исследование свойств сорбента на основе сапонита // Записки Горного института. 2023. Т. 259. С. 21–29. EDN: ­ICCFLN.
https://doi.org/10.31897/PMI.2023.1
5. Наквасина Е.Н., Романов Е.М., Шабанова Е.Н., Косарева Е.Н., Кононов О.Д. Применение сапонитсодержащих материалов в качестве минерального удобрения при выращивании картофеля в Архангельской области // Вестник КрасГАУ. 2019. № 1 (142). С. 60–68. EDN: ­VVZBQK
6. Дроздюк Т.А., Айзенштадт А.М., Королев Е.В. Высокотемпературная модификация сапонитсодержащего материала // Строительные материалы. 2021. № 11. С. 30–35. EDN: ­CTPPCM. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-797-11-30-35
7. Данилов В.Е., Айзенштадт А.М., Дроздюк Т.А., Фролова М.А., Гарамов Г.А. Интеркаляция сапонита из растворов электролитов, различающихся природой катиона // Физика и химия обработки материалов. 2024. № 2. С. 36–46. EDN: ­SUMGKR. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2024-2-36-46
8. Огородова Л.П., Киселева И.А., Мельчакова Л.В., Вигасина М.Ф., Крупская В.В., Судьин В.В. Калориметрическое определение энтальпии образования природного сапонита // Геохимия. 2015. № 7. С. 617–623. EDN: ­TXUGRJ. https://doi.org/10.7868/S0016752515070079
9. Zhang et al. Metal occupancy and its influence on thermal stability of synthetic saponites // Applied Clay Science. 2017. Vol. 135, pp. 282–288. https://doi.org/10.1016/j.clay.2016.10.006
10. Kloprogge J.T., Ponce C.P. Spectroscopic studies of synthetic and natural saponites: a review // Minerals. 2021. Vol. 11 (2). 112. EDN: ­KPFAIQ. https://doi.org/10.3390/min11020112
11. Kloprogge J.T., Frost R.L. The effect of synthesis temperature on the FT-Raman and FT-IR spectra of saponites. Vibrational Spectroscopy. 2000. Vol. 23. Iss. 1, pp. 119–127. EDN: ­AEHUDM. https://doi.org/10.1016/S0924-2031(00)00056-4
12. Roberts Blukis, Maria Schindler, Thaïs Couasnon, Liane G. Benning mechanism and control of saponite synthesis from a self-assembling nanocrystalline precursor // Langmuir. 2022. Vol. 38. No. 25, pp. 7678–7688. EDN: ­CODHWC. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c00425
13. Ponce C.P., Kloprogge J.T. Urea-assisted synthesis and characterization of saponite with different octahedral (Mg, Zn, Ni, Co) and tetrahedral metals (Al, Ga, B), a review // Life (Basel). 2020. Vol. 10. No. 9. 168. EDN: ­PTONVJ. https://doi.org/10.3390/life10090168
14. Мамонтов В.Г., Беляева С.А., Шмакова К.А. ИК-спектры поглощения фракций гранулометрических элементов чернозема типичного целинного Курской области // Известия Тимирязев-ской сельскохозяйственной академии. 2023. № 4. С. 5–19. EDN: ­TIZJIF. https://doi.org/10.26897/0021-342X-2023-4-5-19
15. Bishop J., Madeová J., Komadel P., Fröschl H. The influence of structural Fe, Al and Mg on the infrared OH bands in spectra of dioctahedral smectites // Clay Minerals. 2002. Vol. 37, pp. 607–616. EDN: ­LQBLFP. https://doi.org/10.1180/0009855023740063
16. Айзенштадт А.М., Королев Е.В., Малыгина М.А., Дроздюк Т.А., Фролова М.А. Структурная модификация высокодисперсных порошков вскрышных пород сапонитсодержащей бентонитовой глины // Физика и химия обработки материалов. 2023. № 1. С. 56–63. EDN: ­BGBWRA. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2023-1-56-63
17. Айзенштадт А.М., Фролова М.А., Данилов В.Е., Дроздюк Т.А., Малыгина М.А. Модификационные превращения сапонитсодержащего материала при механическом помоле // Строительные материалы. 2023. № 7. С. 54–59. EDN: ­QWPMZV. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-815-7-54-59