Катионный обмен. Емкость поглощения (ЕП) или обменная емкость (ОЕ).

Строение элементарных частиц в глинистой суспензии.

Каждую элементарную чешуйку глины можно рассматривать как молекулу, состоящую из крупного высокомолекулярного алюмосиликатного аниона и множества катионов. Количество катионов, при­надлежащих данной частице, зависит от числа единичных отрица­тельных зарядов алюмосиликатной кристаллической решетки части­цы и от валентности катионов.

При приготовлении водной суспензии глины часть адсорбиро­ванных глиной катионов отделяется от поверхности глинистой час­тицы под влиянием полярных молекул воды. Глина как бы диссоци­ирует на сложный алюмосиликатный анион и множество простых катионов. Катионы отделяются от поверхности частицы и подвергаются гидратации. Гидратированные катионы не покидают глинистую частицу, а удерживаются около нее силами электростатического притяжения. Они образуют вокруг частицы ионное облако, плотность которого убывает по мере удаления от поверхности частицы. Размер ионного облака зависит от валентности катионов, Одновалентные катионы слабее притягиваются глинистой частицей и могут удаляться от ее поверхности на относительно большие расстоя­ния. Двухвалентные катионы образуют более компактную ионную атмосферу вокруг глинистой частицы.

Алюмосиликатный анион притягивает к своей поверхности полярные молекулы воды. Непосредственно у поверхности глинистой частицы располагается первый слой молекул Н2О, обращен­ных положительными концами диполей к поверхности частицы. Отрицательные концы диполей первого слоя образуют новую от­рицательно заряженную поверхность, на которой располагаются молекулы второго слоя. На втором слое молекул Н20 удерживается третий слой и так далее. По мере удаления от поверхности глинистой частицы силы, вызывающие ориентацию молекул воды, постепенно ослабевают. На некотором расстоянии от поверхности действие их прекращается, и молекулы воды получают свободу перемещения независимо от глинистой частицы.

Слои ориентированных и удерживаемых глинистой частицей молекул воды образуют её гидратную оболочку. Внешние границы гидратной оболочки и облака катионов, окружающих глинистую частицу, примерно совпадают.

Таким образом, глинистая частица в суспензии окружена облаком гидратированных катионов и гидратной оболочкой, состоящей из нескольких слоев молекул воды.

Толщина гидратной оболочки зависит от вида адсорбированных катионов. Частицы натриевого бентонита могут ориентировать до 40 слоев молекул воды. Толщина гидратной оболочки при этом превышает 100 А0. Гидратная оболочка частиц кальциевого бентонита имеет толщину не более 15 А0.;

Вода образующая гидратную оболочку частицы, по свойствам значительно отличается от обычной воды. Первые слои молекул воды, непосредственно прилегающие к поверхности частицы, имеют гексагональную ориентацию, которая обусловлена расположением кремний-кислородных тетраэдров. Эти слои воды по структуре.и свойствам напоминают лед. Последующие слои молекул воды - бо­лее рыхлые, но и в них вода имеет повышенную вязкость, уп­ругость и не способна растворять веществе, которые обычно растворимы в воде.

Гидратационная вода прочно связана с поверхностью гли­нистой частицы и не может быть отжата из глины, даже при дав­лениях в десятки тысяч атмосфер.

Из общего количества адсорбированных глинистой частицей катионов некоторая часть остается у поверхности частицы на расстоянии, соответствующем радиусу иона. Эти катионы образуют так называемый "неподвижный" слой катионов. Остальные катионы, рассеянные вокруг частицы в виде ионного облака, образуют диффузный слой катионов. Между диффузным и неподвижным слоями катионов существует динамическое равновесие: одни катионы переходят из неподвижного слоя в диффузный, другие - возвращаются из диффузного слоя в неподвижный. Если поместить разбавленную глинистую суспензию в электрическое поле, то будет происходить явление электрофореза. Глинистые частицы вместе с катионами неподвижного слоя будут под влиянием электрического поля перемещаться к аноду, а катионы диффузного слоя - к катоду. Скольжение происходит по границе между неподвижными и диффузным слоями катионов, Потенциал поверхности скольжения по отношению к дисперсионной среде называется электрокинетическим или % (дзета) - потенциалом. Величина дзета-потенциала тесно связана с толщиной диффузного слоя катионов.

При уменьшении толщины диффузного сдоя дзета-потенциал уменьшается. Так как толщина диффузного слоя примерно соответствует толщине гидратной оболочки, то по величина дзета-потенциала можно судить о степени гидратации глинистых частиц.

Отрицательный заряд кристаллической решетки глинистой частицы сосредоточен на плоских ее гранях. У граней частицы располагаются и адсорбированные катионы. По этой причине и диффузный слой и гидратная оболочка имеют наибольшую толщину на гранях глинистой частицы и менее развиты на её тонких краях

Процессы, происходящие на поверхности глинистых частиц.

Благодаря особенностям строения глинистых минералов частицы глины в родной суспензии способны взаимодействовать с окружающей средой. Это взаимодействие обусловлено сколькими факторами

1. Наличием отрицательного заряде вследствие изоморфных

замещений в кристаллической решетке,

2. Наличием ненасыщенных валентных связей на краях глинистых частиц

3. Наличием активных гидроксильных групп. Под влиянием этих факторов на поверхности глинистых частиц могут происходить:

· ионный обмен;

· необменные реакции замещения;

· реакции присоединения,

В результате этих реакций существенно изгоняются свойства поверхности глинистых частиц, характер взаимодействия и углеводородными жидкостный, свойстве суспензии глины.

Ионный обмен.

Обмен катионов

Некоторая часть адсорбированных глиной катионов может быть прочно связана с кристаллической решеткой. Другие катионы об­ладают большой подвижностью и могут принимать участие в обра­зования диффузного слоя. Довольно значительная часть адсорби­рованных катионов может быть вытеснена с поверхности глинистых частиц и замещена другими катионами, если в глинистую суспен­зию ввести электролит, содержащий катионы, отличные от адсор­бированных, характерных для данной глины.

Замещение одних катионов на поверхности глины катионами другого вида называется катионным обменом.

Способность катионов к замещению зависит, прежде всего, от валентности катиона. Чем выше валентность, тем активнее ка­тион и тем легче вытесняет он с поверхности глины катионы бо­лее низкой валентности. Повышение концентрации электролита также способствует обмену катионов.

Количество адсорбированных катионов, которое может быть замещено при катионном обмене, называется обменной емкостью. Обменную емкость выражают в мг. эквивалентах не 100 г глины.

Величина обменной емкости зависит от свойств глинистого минерала, составляющего основу глины. Обменная емкость сос­тавляет: у монтмориллонитовых (бентонитовых) глин * 60-100 мгэкв/100 г

у гидрослюдистых глин - 20 - 40 мгэкв/ 100 г

у палыгорскитовых глин -30-40 мгэкв/100 г

у каолинитовых глин - 3-16 мгэкв/100 г.

Катионный обмен имеет большое значение для технологии глинистых растворов. Реакции катионного обмена происходят при хи­мической обработке глинистых растворов реагентами-электролитами при попадании посторонних электролитов в глинистый раствор при бурении хемогенных пород. В результате обмена катионов изменяются толщина ионной атмосферы вокруг частиц, степень их гидратации. Существенно меняются и свойства глинистой суспензии.

Величина обменной емкости может быть использована для приближенного определения принадлежности глин к той или иной минеральной группе.

Дата добавления: 2015-07-11