Секция 4
ЭНЕРГЕТИКА: ЭКОЛОГИЯ, НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ
свойств, благодаря чему они нашли широкое применение во многих отраслях народного
хозяйства, в том числе и в практике очистки сточных вод [5–7].
Цеолиты представляют собой группу природных минералов, кристаллический
трехмерный каркас которых состоит из алюмокремнекислородных тетраэдров (Si,Al)О
4
.
Поскольку часть четырехвалентных ионов кремния замещена трехвалентными ионами алюминия,
каркас имеет отрицательный заряд, который нейтрализуется присутствием на стенках полостей
катионов натрия, калия, кальция, магния и других металлов. Кроме того, внутренние полости и
соединяющие их каналы заполнены молекулами так называемой цеолитной воды. Суммарный
объем полостей и соединяющих их каналов в цеолитах
составляет около 50 % объема кристалла, а
диаметр этих каналов на поверхности кристалла варьирует от 0,26 до 0,80 нм. Катионы металлов и
молекулы воды способны свободно удаляться и поглощаться структурой, благодаря чему
происходит ионный обмен.
Структурная формула цеолита может быть представлена следующим образом [7]:
М
m/n
[(AlO
2
)
x
(SiO
2
)
y
] · zH
2
O,
где x+y – сумма тетраэдров в элементарной ячейке, m – число катионов М (калия, натрия, кальция,
магния), n – валентность катиона.
Группа природных цеолитов включает около 30 минералов. По литературным данным
[5, 6] наибольшей избирательностью к ионам больших размеров, в частности, к иону аммония,
обладает клиноптилолит: (К
2
, Na
2
, Ca) [Al
2
Si
7,5-11,0
O
19,0-26,0
] (6-8)H
2
O. Обменные катионы Na
+
,
расположенные в больших полостях клиноптилолита, легко замещаются в водных растворах солей
на ион аммония [6]. Поэтому, чем больше фазы клиноптилолита содержится в цеолите, тем лучше
он очищает воду от аммонийного азота.
Цеолитовые породы широко распространены и используются в водоочистке во многих
странах мира [6]. Каждое цеолитовое месторождение характеризуется своими, присущими только
ему,
минералогическим coставом и физико-химическими свойствами. Поэтому перед
применением цеолитового сырья требуется подробное исследование его физико-химических
свойств и адсорбционных характеристик.
Для исследований свойств сахаптинского цеолита использовались следующие методы
анализа: рентгенофазовый анализ (РФА), термический анализ, инфракрасная (ИК) спектроскопия,
химический анализ.
Минералогический состав сахаптинского цеолита определялся по рентгенограмме, снятой
на дифрактометре ДРОН
-3 с использованием рентгеновской трубки БСВ-9 с CuK
α
-излучением.
Термический анализ проводился на ТГА/ДСК/ДТА анализаторе SDT Q600 при скорости нагрева
на воздухе до 1000 °C около 10 °C/мин. Спектры поглощения образца цеолита в инфракрасной
области спектра (4000–400 см
-1
) были сняты на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 5700.
Концентрацию ионов аммония в воде определяли фотометрическим методом с реактивом
Несслера. Интенсивность окраски раствора измеряли с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2
при длине волны 400 нм в кювете с толщиной слоя 2 см.
Согласно данным РФА исследуемый образец содержит в своем составе 45–50 %
клиноптилолита, гейландит, а также примесные породы –
кварц, монтмориллонит, полевой шпат и
кристобалит.
В ходе термического анализа в структуре природного цеолита не обнаружено
существенных изменений. Установлено, что кривая дегидратации как функция температуры
является плавной, что характерно для фазы клиноптилолита [8]. Исследуемый цеолит содержит в
своем составе связанную и сорбированную воду. Потеря веса при нагревании образца природного
цеолита до 1000 °С
составляет 9,22 %, причем максимальная потеря массы ~6 % наблюдается в
температурном диапазоне от 80 до 300 ˚С. Изменение структуры цеолита начинается с 750 ˚С, а
свою устойчивость образец теряет при температуре выше 1000 ˚С. Результаты термического
анализа и литературные данные позволяют предположить, что для улучшения ионообменных
свойств сахаптинского цеолита можно проводить термическое модифицирование в температурном
диапазоне
250–350 ˚С.
Наличие характерных для фазы клиноптилолита [8] структурных групп в образце
сахаптинского цеолита установлено методом инфракрасной спектроскопии. Наиболее
интенсивный пик наблюдается для полосы поглощения 1046 см
−1
, отвечающей колебанию связи
Si–O–Si. Пики поглощения 800,5 и 780, 5 см
−1
связаны с валентными колебаниями связи Al–O, а
473,2 см
−1
– с деформационными колебаниями Al–O
4
. С наличием цеолитной воды связаны
следующие полосы поглощения: 3638,6 см
−1
– полоса связанных водородной связью с кислородом
каркаса ОН-групп, 3406,1, 3249,2 и 3184,6 см
−1
– полосы антисимметричных и симметричных
177