Исследование механизмов структурообразования в водных дисперсиях Na+-смектитов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты экспериментального исследования коллоидной структуры и реологии разбавленных водных дисперсий и гелей Na+-монтмориллонита, полученные методами капиллярной и ротационной вискозиметрии. С ростом концентрации индифферентного электролита водные дисперсии глинистых частиц претерпевают значительные структурные изменения, что существенным образом отражается на характере течения таких систем. При этом в узком диапазоне концентраций электролита (~3 мМ), существенно более низких по сравнению с известными из литературы значениями порогов коагуляции, фиксируется критическая концентрация, инвариантная по отношению к концентрации дисперсий в диапазоне 0.25–3.0 масс. %. Наличие существенных изменений реологического поведения в данной области концентраций электролита может отражать как процессы формирования/разрушения агрегатов, так и происходящее в системе изменение механизма агрегации/структурообразования. Экспериментальные данные по реологии дисперсий были сопоставлены с теоретическими расчетами и результатами дисперсионного анализа (метод ДСР) водных дисперсий, что позволяет расширить представления о процессе структурообразования в глинистых дисперсиях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Б. В. Покидько

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: pokidko2000@mail.ru
Россия, Москва

О. А. Дулина

МИРЭА – Российский технологический университет, кафедра наноразмерных систем и поверхностных явлений

Email: pokidko2000@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Van Olphen H. An Introduction to Clay Colloid Chemistry. 1963. NY and London: Wiley, 1963.
  2. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС. 2013. С. 576.
  3. Handbook of clay science. Sec. ed. Part A. Fundamentals. Edited by F.Bergaya and G. Lagaly. Oxford, UK: Elsevier. 2006. Ch.8 (Colloid clay science. ed. by G.Lagaly, I.Dekany, pp. 243–346), p. 1246, ISBN: 0080441831.
  4. Bailey L., Lekkerkerker H.N.W., Maitland J.C. Smectite clay – inorganic particle mixed suspensions. Phase behavior and rheology // Soft Matter. 2015. V. 11. № 2. P. 222–236. https://doi.org/10.1039/c4sm01717j
  5. Norrish K. The swelling of montmorillonite // Discussions of the Faraday Society. 1954. V. 18. P. 120. https://doi.org/10.1039/c4sm01717j 134. https://doi.org/10.1039/df9541800120
  6. Michot L.J., Bihannic I., Porsch K. Phase diagrams of Wyoming Na-montmorillonite clay. Influence of particle anisotropy // Langmuir. 2004. V. 20. № 25. P. 10829–10837. https://doi.org/10.1021/la0489108
  7. Abend S., Lagaly G. Sol–gel transitions of sodium montmorillonite dispersions // Applied clay science. 2000. V. 16. № 3–4. P. 201–227 https://doi.org/10.1016/s0169-1317(99)00040-x
  8. Pilavtepe M., Delavernhe L., Steudel A. et al. Formation of arrested states in natural di- and trioctahedral smectite dispersions compared to those in synthetic hectorite – a macro- and microrheological study // Clays and clay minerals. 2018. V. 66. № 4. P. 339–352. https://doi.org/10.1346/CCMN.2018.064102
  9. Kimura H., Okubo T. Rheological properties of sodium montmorillonite in exhaustively deionized dispersions and in the presence of sodium chloride // Colloid and polymer science. 2002. V. 280. № 6. P. 579–583. https://doi.org/10.1007/s00396-001-0647-y
  10. Shoaib M., Khan S., Wani O.B., Adala A., Seiphoori A., Bobicki E.R. Modulation of soft glassy dynamics in aqueous suspensions of an anisotropic charged swelling clay through pH adjustment // Journal of colloid and interface science. 2022. V. 606. № 1. P. 860–872. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.034
  11. Pecini E.M.; Avena M.J. Measuring the isoelectric point of the edges of clay mineral particles: The case of montmorillonite // Langmuir. 2013. V. 29. № 48. P. 14926–14934. https://doi.org/10.1021/la403384g
  12. Secor R.B., Radke C.J. Spillover of the diffuse double layer on montmorillonite particles // Journal of colloid and interface science. 1985. V. 103. № 1. P. 237–244. https://doi.org/10.1016/0021-9797(85)90096-7
  13. Tombacz E., Szekeres M. Colloidal behavior of aqueous montmorillonite suspensions: the specific role of pH in the presence of indifferent electrolytes // Applied clay science. 2004. V. 27. № 1–2. P. 75–94. https://doi.org/10.1016/j.clay.2004.01.001
  14. Miller S.E., Low P.F. Characterization of electrical double layer of montmorillonite // Langmuir. 1990. V. 6. № 3. P. 572–578. https://doi.org/10.1021/la00093a010
  15. Chen J.S., Cushman J.H., Low P.E. Rheological behavior of Na-montmorillonite suspensions at low electrolyte concentrations // Clays and clay minerals. 1990. V. 38. № 1. P. 57–62. https://doi.org/10.1346/ccmn.1990.0380108
  16. Lagaly G., Ziesmer S. Colloid chemistry of clay min erals: the coagulation of montmorillonite dispersion // Advances in colloid and interface science. 2003. V. 100–102. P. 105–128. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(02)00064-7
  17. Kaufhold S., Kaufhold A., Dohrmann R. Comparison of the critical coagulation concentrations of allophane and smectite // Colloids and interfaces. 2018. V. 2. № 1. P. 1–14. https://doi.org/10.3390/colloids2010012
  18. Jackson, M.L. Soil Chemical Analysis: Advanced Course; UW-Madison Libraries parallel press, 2005; ISBN 1-893311-47-3.
  19. Koroleva T., Krupskaya V., Tyupina E., Morozov I., Kozlov P., Pokidko B., Zakusin S., Zaitseva T. Impacts of impurity removal chemical pretreatment procedures on the composition and adsorption properties of bentonites // Minerals. 2024. V. 14. № 8. P. 1–14. https://doi.org/10.3390/min14080736
  20. Покидько Б.В., Крупская В.В., Белоусов П.Е., Закусин С.В. Методика измерения емкости катонного обмена по адсорбции комплекса меди (II) с триэтилентетрамином – Cu-trien. ФБУ Ростест-Москва, Свидетельство об аттестации №АВ 0003160, метод № 1002/03 RA.RU. 311703-2022.
  21. Глины формовочные бентонитовые. ГОСТ 28177-89.
  22. Покидько Б.В. Экспериментальные методы точной оценки состава обменного комплекса смектитов и бентонитовых глин. Материалы VII Российской школы по глинистым минералам «Argilla Studium-2022», Москва: ИГЕМ РАН. 2022. C. 32–34.
  23. Kaufhold S, Dohrmann R., Stucki J.W., Anastacio A.S. Layered charge density of smectites – closing the gap between the structural formula method and the alkyl ammonium method // Clays and clay minerals. 2011. V. 59. № 2. P. 200–211. https://doi.org/10.1346/CCMN.2011.0590208
  24. Tsipursky S.J., Eisenhour D.D., Beall G.W. at al. Method of determining the composition of clay deposit. United state patent 6235533, 2001. AMCOL Int Corp. G01N 33/00
  25. Weber Ch., Kaufhold S. Hamaker functions for kaolinite and montmorillonite // Colloid and interface science communications. 2021. V. 43. P. 100442. https://doi.org/10.1016/j.colcom.2021.100442
  26. Segad M., Jonsson Bo., Akesson T., Cabane B. Ca/Na montmorillonite: structure, forces and swelling properties // Langmur. 2010. V. 26. №. 8. P. 5782–5790. https://doi.org/10.1021/la9036293
  27. Baravian C., Vantelon D., Yhomas F. Rheological determination of interaction potential energy for aqueous clay suspensions // Langmuir. 2003. V. 19. № 19. P. 8109–8114. https://doi.org/10.1021/la034169c
  28. Kaufhold S., Dohrmann R., Koch D., Houben G. The pH of aqueous bentonite suspensions // Clays and Clay Minerals. 2008. V. 56. № 3. P. 338–343. https://doi.org/10.1346/CCMN.2008.0560304
  29. Holmboe M., Wold S., Jonsson M. Porosity investigation of compacted bentonite using XRD profile modeling // Journal of contaminant hydrology. 2012. V. 128. № 1–4. P. 19–32. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2011.10.005

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Идеализированные типы структур в водных дисперсиях монтмориллонита (по [1], см. пояснение в тексте).

Скачать (88KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фазовые диаграммы водных дисперсий Na+-ММТ. а – Na+-ММТ, выделенный из бентонита Swy-2 (Source Clay Minerals Repository), кривые 1– 4 –значения золь-гель переходов, полученные с использованием концентрационных зависимостей вязкости, осмотического давления и двойного лучепреломления ([6]), б – Na+-ММТ, выделенный из бентонита Wyoming M40A (Sud Chemie AG), черные и белые кружки – точки, соответствующие результатам реологических измерений, ограничивающие различные области состояния дисперсий [7], в – Na+-ММТ, выделенный из бентонита Volclay (Sud Chemie AG) (pH = 9.7), кружки и треугольники – точки, соответствующие результатам реологических измерений, ограничивающие различные области состояния дисперсий [8].

Скачать (217KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Модель для описания структуры первичных частиц в водных дисперсиях смектитов (см. обозначения в тексте).

Скачать (162KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кривые РЧР в водных 0.1% дисперсиях монтмориллонита с концентрацией NaCl (мМ); 0.1; 1, 3 и 5 мМ).

Скачать (178KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости относительной вязкости от концентрации NaCl для дисперсий смектитов. а – образец Na+-фр-1, содержание частиц (масс. %). 1 – 0.25, 2 – 0.5, 3 – 1.0, 4 – 1.5 и 5–2.0. б – образец Na+-фр-2, содержание частиц 2.7%.

Скачать (79KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость относительной вязкости от концентрации частиц (образец Na+-фр-1) при различных концентрациях NaCl (мМ). 1 – 1.0, 2 – 1.5, 3 – 2.0, 4 – 3.0, 5 – 5.0, 6 – 7.0, 7 – 10.0

Скачать (109KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Кривые течения 3.0% водных дисперсий Na+-смектита (образец Na+-фр-1), с различным содержанием NaCl (мМ): 1 – 3.0, 2 – 3.5, 3 – 4.0, 4 – 7.0, 5 – 8.0, 6 – 10.0.

Скачать (86KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Кривые течения 3.0% водных дисперсий Na+-смектита (образец Na+-фр-1) в условиях разрушения и восстановления структуры. Концентрация NaCl (мМ): 1, 2 – 3.0, 3, 4 – 10.0. Кривые 1, 3 – режим CS, восходящая ветвь, кривые 2, 4 – режим CR – нисходящая ветвь.

Скачать (64KB)
Метаданные
10. Рис. 9. а – зависимость вязкости 2.7% дисперсий (Na+-фр-2) от напряжения сдвига при различных концентрациях NaCl (мМ): 1 – 3.1; 2 – 3.2; 3 – 3.5; 4 – 3.8, 5 – 4.3; 6 – 5.0. б – зависимость пластической вязкости 2.7% дисперсий от концентрации NaCl

Скачать (158KB)
Метаданные
11. Рис. 10. а – зависимость вязкости от концентрации Na+ в 1.9% дисперсиях (образец Na+-фр-1). Кривая 1 – добавка NaCl, кривая 2 – добавка NaOH. рН для [NaОН] = 2, 3, 5, 7 и 10 мМ составляли 7.6, 8.3, 10.7, 11.4 и 11.7 соответственно. б – зависимость рН 2.7% дисперсий от содержания NaCl

Скачать (146KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025