Механизмы взаимодействия слоистых алюмосиликатов с водой по данным инфракрасной спектроскопии

• Автор: Лазоренко, Георгий Иванович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 136 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Строение, свойства и применение слоистых алюмосиликатов
(обзор литературы)
1.1 Атомная и электронная структуры
1.2 Общие закономерности гидратации и гидрофизические свойства
1.3 Перспективы применения
1.4 Выводы к разделу
2 Объекты исследования
2.1 Методика пробоподготовки
2.2 Методика исследования
2.3 Выводы к разделу
3 Компонентный анализ сложноразделяемых смесей алюмосиликатов
3.1 Рентгеноструктурное исследование
3.2 ИК-спектроскопическое исследование
3.3 Выводы к разделу
4 Структурно-механические свойства алюмосиликатных дисперсий и поверхностные явления на границе «слоистый алюмосиликат-вода»
по данным ИК-спектроскопии в средней инфракрасной области
4.1 Спектральное исследование состояния воды и пластичности в моно- и полиминеральных алюмосиликатных дисперсиях
4.2 БРТ-моделирование гидратации слоистых алюмосиликатов со структурой типа 1:
4.3 Выводы к разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список цитируемой литературы
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В последнее десятилетие высокодисперсные гидратированные алюмосиликаты, относящиеся к подклассу слоистых силикатов, находят все более широкое практическое применение во многих отраслях научно-производственной деятельности. Их активно применяют в качестве наполнителей полимерных нанокомпозитов [1], высокоэффективных сорбентов [2], катализаторов [3], сенсоров [4]. Хорошо известны достоинства слоистых алюмосиликатов в качестве антибактериальных материалов [5], активных и вспомогательных веществ фармацевтической продукции, барьеров для захоронения и утилизации радиоактивных отходов [6]. Значительна их роль в качестве сырья при производстве цемента и керамики [7].
Разнообразие областей практического применения слоистых алюмосиликатов обусловлено уникальностью их физико-химических свойств, проявляющихся в высокой адсорбционной, каталитической и ионообменной активности, а также развитой удельной поверхности и высокой дисперсности. По прогнозам некоторых исследователей [8], благодаря перечисленным особенностям, а также наличию крупных промышленных месторождений, относительной дешевизны и экологической безопасности слоистых алюмосиликатов, в скором времени эти минералы могут стать наиболее востребованными наноматериалами современной промышленности.
Применение слоистых алюмосиликатов в различных областях техники тесно связано с процессом их гидратации. Во многих технологических и природных процессах существенную роль играет контакт минеральной поверхности алюмосиликатов с водой, являющейся естественным растворителем и транспортной средой для различных химических веществ, а также важнейшим фактором, определяющим физико-химические свойства этих материалов. Поэтому детальное понимание процессов, протекающих в системе «слоистый алюмосиликат - вода», представляет собой важную теоретическую и практическую задачу физики конденсированного состояния.

Несмотря на большое количество работ в области изучения гидратации слоистых алюмосиликатов, до настоящего времени не существует единой точки зрения по её механизму. Имеются серьезные противоречия в понимании природы взаимодействия слоистых алюмосиликатов с веществами в жидкофазных реакциях, в определении понятия «связанная вода», и, как следствие этого, в вопросах определения пластичности, сорбционных свойств и других характеристик.
Следует также отметить, что исследования различных свойств слоистых алюмосиликатов, в том числе их гидрофилыюсти, часто ведутся без учета достижений современной теоретической и вычислительной физики. Использование квантово-химических методов в сочетании с современными вычислительными алгоритмами, позволяет по-новому подойти к изучению вопроса о гидратации слоистых алюмосиликатов, обеспечивая более глубокое представление о механизмах межслоевых и поверхностных процессов в этих минералах.
В соответствии с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная изучению механизма гидратации слоистых алюмосиликатов и характеру взаимодействия в системе «слоистый алюмосиликат - вода» с использованием комплекса теоретических и экспериментальных методов, базирующихся на ИК-спектроскопии и квантово-химическом моделировании, является актуальной.
Тематика диссертации соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ «Индустрия наносистем»; является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре «Физика» ФГБОУ ВПО РГУПС при поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт от 12.10.2011 г. № 16.513.11.3125, соглашение от 01.10.2012 г. № 14.132.21.1666, соглашение от 27.11.2014 г. № 14.607.21.0110), а также ФГБОУ ВПО РГУПС (грант от 27.02.15 г. №820/1).
Объекты исследования: представители основных кристаллохимических групп слоистых алюмосиликатов из имеющих промышленное значение месторождений:

алюмосиликатов, образующих жесткую пленку определенного порядка, которая связывает вместе частицы минералов [93]. Пластичность дисперсии зависит от кристаллохимического типа минерала, количества присутствующей воды, размера, формы и распределения частиц, удельной площади поверхности частиц, ориентации частиц в агрегатах, природы и происхождения минерала.
Пластичность алюмосиликатных дисперсий существенно зависит от кристаллохимических особенностей того или иного минерала. Как показывают результаты исследований пластичности мономинеральных образцов алюмосиликатных дисперсий, проведенные Mitchell J.K. и Soga К. [94], наибольшей пластичностью обладает монтмориллонит, наименьшей - иллит и каолинит (табл. 1.3). В этой же работе, при изучении влияния состава адсорбированных катионов на характеристики пластичности слоистых алюмосиликатов, авторы делают выводы о том, что:
- тип адсорбированного катиона имеет намного большее влияние на высокопластнчные минералы (в частности, монтмориллонит), чем на малопластичные (например, каолинит);
- увеличение валентности адсорбированного катиона уменьшает значения предела текучести набухающих минералов и увеличивает у ненабухающих.
Данные выводы также подтверждаются результатами исследований, ранее проведенными Lagaly G. [95] (табл. 1.4).
Таблица 1.3 - Характеристики пластичности слоистых алюмосиликатов по данным работы [94]
Минерал Предел пластичности PL (массовая доля воды, %) Предел текучести LL (массовая доля воды, %)
Монтмориллонит 50-100
Нонтронит 19-27
Иллит 35-60
Каолинит 24-40
Хлорит 36-40