CC BY
101
УДК 553.611.6
ВЛИЯНИЕ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА СЫРЬЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕНТОНИТОВ ТАГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Е.М. Сапаргалиев
Алтайский отдел Института геологических наук им. К.И. Сатпаева Ул. Либкнехта, 21, 492024 Усть-Каменогорск, Казахстан
Высокие технологические свойства бентонитов Таганского месторождения в Призай-санье обусловлены вещественным составом сырья, соотношением катионов обменного комплекса, идеальной кристаллической структурой монтмориллонита.
Бентонитовые глины являющиеся одним из широко распространенных классов глин в земной коре, как известно, имеют в своем преобладающем составе минерал монтмориллонит. Следуя определению бентонитов по Н.В. Кирсанову [1], к ним можно отнести тонкодисперсные глины, независимо от генезиса, состоящие не менее чем на 60-70% из минералов группы монтмориллонита, обладающих высокой связующей способностью, адсорбционной и каталитической активностью. При меньшем количестве, но преобладающем содержании монтмориллонита их целесообразно относить к бентонитоподобным.
В Казахстане широким распространением пользуются терригенно- и колло-идно-осадочные бентонитовые глины [1], образованные в морских и континентальных условиях. Морские бентонитовые глины распространенны в Южном Казахстане - Дарбазинское, Келес и другие месторождения. Из континентальных широко известны месторождения Призайсанья, образовавшиеся в озерноболотных условиях и объединенные в Манракскую группу бентонитовых месторождений, из которых выделяется Таганское месторождение [2].
Запасы Таганского месторождения представлены щелочными (32% отн.) на западном фланге и щелочноземельными разновидностями (60% отн.) бентонитов на восточном. Обменный комплекс бентонитов месторождения приведен в табл. 1.
Полученные из щелочных бентонитов Таганского месторождения буровые порошки при вязкости 20 мПа (скорость сдвига 66 с”1) характеризуются несколькими показателями, в первую очередь выходом бурового раствора 18-20 м3/т, плотностью раствора 1,03 г/см3 и содержанием песка менее 1%. По сравнению с буровыми порошками, полученными с щелочных бентонитов других месторождений, приведенных в табл. 1, таганские имеют выход раствора намного выше, в некоторых случаях более чем в два раза. Они сопоставимы с лучшими в мире американскими буровыми порошками штата Уайоминг. По техническим условиям «Глинопорошки для буровых растворов» ОСТ 39-01476001-105-93, таган-
ские порошки соответствуют нормам ПББ, в отличие от которых они немодифи-цированы, что дает возможность их применения для бурения на нефть и газ в шельфовых зонах морей.
Таблица 1
Средняя обменная емкость месторождений бентонитовых глин Казахстана и стран СНГ
Месторождение или проявление, с типами бентонитов Содержание обменных катионов в глинах, мгэкв/100 г с.в.
№+ К+ Са++ МрГ Сумма
Таганское: Щелочные 36,2 4,5 26,2 22,2 89,1
Щелочноземельные 12,5 2,3 45,3 29,5 89,6
Сарипохское* 59,5 2,1 13,5 10,4 77,2
Огланглинское: щелочные 44,9 2,1 12,3 12.1 71,4
щелочноземельные 18,5 0,9 21,0 20,2 60,6
Гумбрийское 1,8 0,4 62,9 22,3 87,4
Пыжевское 0,7 0,4 69,1 21,1 91,3
Асканское (аскангель) 52,2 48,0 7,5 107,7
Черкасское 2,0 1,0 41,3 31,4 75,7
У сть-Маньинское 0,9 0,6 46,5 27,1 75,3
Разгонское 0,4 0,4 61,5 22,5 84,8
* Обменный комплекс других месторождений приведен по материалам авторов [1].
Внедрение в производство нового способа получения бурового порошка, в основе которого лежит обработка частиц монтмориллонита при высоких температурах [3], позволит получать буровые растворы с выходом более 25 м3/т.
Бентонитовые глины в Российской Федерации являются основными добавками в смеси для отливок, получаемых в сырых песчаных формах, где можно отметить крахмалсодержащие добавки, поверхностно-активные вещества, а для чугунных отливок и углеродсодержащие вещества. В дальнем зарубежье в составе смесей широко применяются комплексные добавки на основе бентонитов (премиксы),
В настоящее время резко возросли требования к чистоте поверхности отливок, к точности размеров, в связи с чем повышаются требования к качеству формовочных материалов и их стабильности. По этой причине объем потребления бентонитовых глин, наиболее полно отвечающих требованиям литейного производства, возрастает. Глины должны обладать пределом прочности при сжатии во влажном состоянии 0,9-1,2 кгс/см2, пределом прочности при разрыве в зоне конденсации влаги 30-38 кгс/см2 и термостойкостью 0,8-1,0 ед. По данным параметрам щелочные бентониты Таганского месторождения занимают второе место в мире (табл. 2).
Высокие технологические свойства таганских бентонитов (щелочных и щелочноземельных разновидностей) исходят из особенностей вещественного состава, дисперсности, практически идеальной кристаллической структуры монтмориллонита.
По вещественному составу необходимо отметить высокое содержание монтмориллонита в бентонитах, превышающих 90% и выше. Другие минералы представлены галлуазитом, гидрослюдами, палыгорскитом и в меньшей мере
песчаной фракцией (менее 1%). Такой состав подчеркивается дисперсностью частиц бентонитовых глин месторождения [1] (табл. 3).
Таблица 2
Зависимость между термостойкостью и высокотемпературным эффектом
на термической кривой
Месторождение Температуры эндотермических эффектов Термическая устойчивость
1-й эффект 2-й эффект
Остров Милос (Греция) 180 750 0,95-1,0
Таганское (Казахстан) 125-150 525-550 0,95
Огланглинское (Туркмения) 122 684 0,92
Сарюпохское (Азербайджан) 170 665 0,90
Черногорское (Россия) 160 630 0,90
Озургети (Грузия) 160 660 0,85
Дашуковское (Украина) 150 575 0,85
Таблица 3
Средневзвешенные значения фракций бентонитов по месторождениям (%)
Месторождение Содержание фракций В том числе
>0,1 мм 0,1-0,01 мм 0,01-0,05 мм 0,05-0,001 мм <0,001 мм 0,001-0,0001 мм < 0,0001 мм
Таганское 0,3 4,0 4,1 8,9 82,7 39,7 43,0
Онгланглинское 1,2 11,4 6,9 22,4 58,1 40,9 27,2
Азкамарское 0,6 8,6 9,8 4,0 77,0 49,8 27,2
Губрийское 0,4 30,8 6,2 25,3 37,3 21,6 15,7
Пыжевское 1,3 13,8 9,2 23,9 51,8 40,2 11,6
Обменный комплекс щелочных монтмориллонитов месторождения имеет отличительные особенности, которые обусловлены их генезисом. Строго говоря, бентонитовые месторождения нельзя относить к щелочным разновидностям, так как по количественному содержанию катионы натрия преобладают только по отдельности над катионами кальция и магния (см. табл. 1). При упрощенном подходе их можно отнести к переходным разностям. Щелочные бентониты других месторождений, например Огланглинского или Саригюхского имеют обменный комплекс, в котором сумма катионов натрия полностью превышает сумму катионов кальция и магния. Преобладание натриевого обменного комплекса в отдельности над кальциевым и магниевым компонентами повышает активность бентонитов и увеличивает выход бурового раствора [4], а также создает предпосылки другого уровня их каталитической активности при обработке соответствующими кислотами.
Ранее отмечалось скачкообразное изменение свойств бентонитов при определенном соотношении щелочных и щелочноземельных катионов [5]. Переход наблюдается при содержании около 40 мг/экв. щелочноземельных катионов от 100 мг-экв. общей обменной емкости. Однако роль катионов магния до конца не была выяснена. В щелочных бентонитах Таганского месторождения сумма катионов кальция превышает магний, что также положительно влияет на их свойства.
Кристаллическая структура монтмориллонитов месторождения по данным ренгенноструктурного и термических анализов (табл. 4) приближается к идеальной структуре монтмориллонита [6]. Рентгеноструктурный анализ выполнен на приборе ДРОН-ЗМ с использованием СиКа излучения, режим съемки J = ЗОта, V = ЗОку, скорость съемки — 1°/мин.
Таблица 4
Характеристика минералов бентонитов Таганского месторождения*
№ п/п Название образца Основная фаза Примеси
1 Щелочной бентонит Диоктаэдрический смектит dooi = 13,3 А Следы кварца и плагиоклаза
2 Щелочноземельный бентонит Диоктаэдрический смектит dooi = 14,6 А Следы кварца и хлора
3 Галлуазит Галлуазит (7,4 А) Смектит (17,6 А) - плохо окристаллизован Кварц и смешанослой-ный смектиг/иллит
* По данным Разворотневой А.И.
Качественная оценка по степени кристалличности глинистой фракции в изученных образцах может быть представлена следующим рядом по степени убывания кристалличности: щелочной монтмориллонит -> щелочноземельный монтмориллонит. Нахождение галлуазита в составе бентонитов упрочняет кристаллическую структуру монтмориллонита.
Адсорбционные свойства изучались на натриевом и кальциевом монтмориллонитах из азотнокислых растворов с исходными концентрациями стронция и цезия 10'5 г/л и уранила 10'3 г/л. Наиболее оптимальной для процесса явилась область значений pH (6,8-8,2). Время сорбции — 1 час при активном перемешивании на магнитных мешалках. Отделение твердой фазы минералов от жидкой проводилось на центрифуге при достижении 15 тысяч оборотов в минуту. Величина навески глины — 1 г, объем жидкой фазы — 100 мл. Изменение концентраций ионов после сорбции определось на масс-спектрометре с индуктивносвязанной плазмой ISP-MS, фирмы «Perkin-Elmer», а также атомно-абсорбционным методом на спектрометре фирмы «Perkin Elmer», модель 3030. Расчет концентраций анализируемых элементов на приборе ISP-MS проводился автоматическим полуколичественным методом, основанном на использовании многоэлементного стандартного раствора, содержащего определяемые элементы в концентрации 1 нг/г. Погрешность определения составляет 1-5%. В табл. 5 приведены результаты по сорбции UO I2, Sr+2, Cs+ на глинах с различным обменным комплексом.
Таблица 5
Сорбционные свойства глин Таганского месторождения
№ п/п Сорбент Сорбируемый ион, мг-экв/100 г
uof Sr+2 Cs+
1 Na-монтмориллонит 78 338 682
2 Са-монтмориллонит 92,5 283 625
Из табл. 5 видно, что процесс сорбции определяется типом обменного комплекса (наличием либо Na+, либо Са+2 ионов в межпакетныхсостояний). Вместе с тем для Na-монтмориллонита, наоборот, характерен высокий показатель степени кристалличности и упорядоченности кристаллической решетки, поэтому в первом случае преобладает механизм сорбции (за счет возникновения неком-пенсируемых электронных состояний, регистрируемых методом ЭПР), а во втором случае доминирует механизм катионного обмена (при взаимодействии ионов Cs+ и Sr+2 с Na-монтмориллонитом).
Таганское месторождение по качеству бентонитов и запасам входит в десятку лучших месторождений мира. Эксплуатация и рациональное использование его запасов позволит Республике Казахстан войти в число главных производителей бентонитовой продукции с экспортной направленностью.
ЛИТЕРАТУРА
1 .Кирсанов Н.В., Ратеев М. А., Сабитов А.А и др. Генетические типы и закономерности распространения месторождений бентонитов в СССР. — М.: Недра, 1981.
2. Ерофеев B.C. Приманракская группа месторождений бентонитовых глин в Зайсан-ской впадине//Изв. АН КазССР. Сер. геол. — 1964. — № 2. — С. 18-27.
3. Способ получения глинопорошка / Доронин В.П., Горденко В.И., Маслов А.А., Макулов А.А., А.А., Сапаргапиев Е.М.: Патент РФ на изобретение. № 2209824 по заявке № 2001127377 от 08.10.2001.
4. Литяева З.А., Рябченко В.И. Глинопорошки для буровых растворов. НПО Бурение. — М.: Недра, 1962.
5. Мерабишвили М.С. Бентонитовые глины. — М.: Госгео/ггехиздат, 1962.
6. Сапаргапиев Е.М., Ковалёв В.П., Разворотнева А.И., Ердесова Г.Е. Монтмориллонит - минерал для безопасности людей в атомной промышленности // Изв. НАН РК. Сер. Геол. — Алматы, 2004. — № 5. — С. 154-156.
INFLUENCE OF MATERIAL STRUCTURE ON TECHNOLOGICAL PROPERTIES BENTONITE TAGANSKY DEPOSIT
\
E.M. Sapargaliev
Altaian Department of Institute of Geological Sciences the name of K.I. Satpaeva Libknekhta st. 21, 492024 Ust'-Kamenogorsk, Kazakhstan
High technological properties of bentonits of Tagan deposit in Prizaysanye are caused by material structure of raw material, a parity positively charged ions of exchange complex, ideal crystal structures of montmorillonit.
Сапаргалиев Ержан Молдашевич, кандидат геологоминералогических наук, инженер-геолог, заведующий Алтайским отделом Института геологических наук им. К.И. Сатпае-ва, г. Усть-Каменогорск.
