Физико-химические характеристики глинистых минералов

2.2 Механизм гидрофильного структурообразования

глинистых растворов

В настоящее время существует несколько взглядов на структуру промывочных жидкостей. Ряд исследователей [9, 41, 42] считает, что глинистые минералы в воде расщепляются на отдельные пластины, толщиной 7-15 А^о.

Вокруг пластинок образуются гидратные и диффузные слои противоионов. На ребрах пластин (активных центрах коагуляции) толщина гидратных и диффузных слоев невелика и при соприкосновении пластин активными центрами происходит их слипание с образованием пространственных каркасов подобно каркасам гидрофобных структур.

Причем при коагуляции частиц возможны следующие варианты слипания частиц: ребро с ребром, ребро с плоскостью и плоскость с плоскостью.

В зависимости от варианта связи изменяется энергия взаимодействия между частицами и прочностью структуры. Характер связи оказывает влияние на диффузию и седиментацию глинистых растворов.

Предполагается [9], что в концентрированных суспензиях наряду с нормально и перпендикулярно расположенными пластинами часть гибких листочков могут изгибаться в направлении базальной поверхности. Если заряд на ребрах отрицательный, то за счет отталкивания частиц базальными поверхностями пластинок ориентируются параллельно друг другу.

Соединение пластинок по базальным поверхностям приводит к их агрегации. При этом часть воды связана с поверхностью глинистых частиц, а часть захвачена в ячейки структуры.

Между глинистыми частицами и водой существует четыре формы связи: 1) химически связанная вода (в виде кристаллогидратов); 2) адсорбационно связанная вода (в виде молекулярного слоя на поверхности глинистых пластин); 3) капиллярно связанная вода (между глинистыми пакетами); 4) свободная вода (в ячейках пространственных структур).

Работами Ф.Д. Овчаренко [49] и других исследователей установлено, что поверхностные свойства глинистых минералов, а следовательно, и коагуляционное структурирование в водных суспензиях зависит от особенностей строения глинистых частиц, но не в идеальной форме в виде пластин, а с учетом большого числа и глубины несовершенства и дефектов в кристаллической решетке. Именно этими факторами определяется химия поверхности и форма частиц глинистых минералов, влияющих на характер процессов структурирования. В результате дефектов в кристаллической решетке наблюдается неравномерное распределение зарядов на поверхности частиц.

В настоящее время существует мнение [14], что глинистые частицы ничем не отличаются от другой коллоидной частицы изометричной формы. Поверхностные свойства глинистого минерала имеют ту же природу, что и свойства любого дисперсного вещества, и учитывать необходимо только силы межмолекулярного взаимодействия частиц с дисперсной средой.

Электронно-микроскопические снимки с увеличением в 20000 раз саригюхского и пыжевского монморилонитов [14], проведенные Э.Г. Агабальянцом, показывают, что никаких отдельных глинистых пластин в глинистой суспензии не наблюдается. Видны только глинистые частицы различных размеров приблизительно изометрической формы.

Рассмотрим механизм структурообразования глинистых растворов. В соответствии с современными взглядами, глина представляет собой совокупность гидрофильных глинистых частиц различных фракций. Наиболее активна коллоидная фракция размером от микрона и менее.

Энергия взаимодействия полярных молекул воды с полярной поверхностью глинистых частиц, зависит от поверхностной энергии (гидрофильности) твёрдой частицы, ориентации молекул воды относительно её поверхности (ориентационного взаимодействия) и электростатического взаимодействия гидратов частиц.

Суммарную энергию взаимодействия молекул воды с поверхностью частицы твёрдой фазы можно выразить суммой энергий ориентационного и электростатического (ион - дипольного) взаимодействия [33]

(2.1)

где е - заряд частицы; m - дипольный момент молекулы воды; m₀ – дипольный момент функциональной группы.

Из формулы следует, что межмолекулярное (ван-дер-ваальсовое) взаимодействие с увеличением расстояния r убывает весьма интенсивно, электростатическое значительно медленнее и поэтому распространяется на большие расстояния.

Заряд гидрофильных частиц твердой фазы определяется полярностью функциональных групп, их количеством и суммарной удельной поверхностью (дисперсностью).

Поверхность глинистых частиц представлена группами атомов SiO, SiOH, А1(ОН). Вместо водорода в группе SiOH могут быть обменные катионы. Эти группы вследствие наличия высокоотрицательных атомов кислорода полярны и обладают отрицательным зарядом. На полярной поверхности глинистых частиц в соответствии с правилом Ребиндера будут адсорбироваться полярные молекулы воды с образованием гидратных (сольватных) слоев.

Поверхностную энергию частиц (гидрофильность) можно определить по формуле Полинга (1.20)

Э_В - электроотрицательность отрицательнозаряженных атомов, n - число отрицательнозаряженных атомов, Э_А - электроотрицательность положительно-заряженых атомов.

Экспериментальными исследованиями взаимодействия воды с глинистыми частицами занимались известные грунтоведы Н.А. Цытович. Е.М Сергеев и др.

В соответствии с их исследованиями глинистые частицы (обладающие огромной удельной поверхностью) под воздействием молекулярных и электростатических сил активно адсорбируют молекулы воды. Благодаря адсорбционным плёнкам воды осуществляется связь между глинистыми частицами.

У самой поверхности частиц силы притяжения достигают сотен и тысяч мегапаскалей. Молекулы воды, удерживаемые этими силами, образуют плёнку прочносвязанной воды (слой адсорбированной воды).

Рис. 2.1 Схема молекулярного взаимодействия сил в системе: твердая частица – вода (по Н. А. Цытовичу):

Поиск по сайту: