Статья: Оценка кинетики поглощения щелочи в доломитосодержащих породах в присутствии щелочного активизатора

ОЦЕНКА КИНЕТИКИ ПОГЛОЩЕНИЯ ЩЕЛОЧИ В ДОЛОМИТОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОДАХ В ПРИСУТСТВИИ ЩЕЛОЧНОГО АКТИВИЗАТОРА

Шумкина Анна Александровна

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

к.т.н., доцент

В статье представлены данные оценки кинетики поглощения щелочного активизатора в зависимости от вида карбонатной породы и содержания активизатора. Установлено, что наиболее интенсивное поглощение NaOH наблюдается в карбонатной породе с наименьшим содержанием реакционно-активного MgCO3.

Ключевые слова: доломит, кинетика поглощения щелочи

ASSESSMENT OF KINETICS OF ABSORPTION OF ALKALI IN DOLOMITE IN THE PRESENCE OF AN ALKALINE ACTIVATOR

Shumkina Anna Aleksandrovna, Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

In article these estimates of kinetics of absorption of an alkaline activator depending on a type of carbonate breed and content of an activator are provided. It is established that the most intensive absorption of NaOH is observed in carbonate breed with the smallest content of reactionary and active MgCO3.

Карбонаты слагают 18% осадочной оболочки земли и широко используются в самых разных отраслях народного хозяйства. Они играют важную роль в химизме океана и атмосферы, в геохимических и термодинамических процессах земли, метаморфизме и магматизме, а по последним исследованиям - и в возникновении жизни на Земле.

Карбонатными породами в широком смысле называют осадочные горные породы, состоящие в основном из кальцита СаСО3, доломита СаMg(СО₃), магнезита MgСО₃, сидерита FeCO₃, анкерита СаСО₃(Mg, Fe)СО₃ и др. [1…3].

В настоящее время все более широкое распространение получают композиционные материалы, полученные на основе доломитов и доломитизированных известняков в присутствии щелочных активизаторов [4…6].

В условиях создания доломитощелочных вяжущих особый интерес представляет анализ кинетики поглощения щелочи в доломитах и доломитизированных известняках. На рис 1 приведена зависимость поглощения активизатора от количества исходной щелочи NаОН.

поглощение щелочь доломитосодержащий карбонатный

Рис.1 Кинетика поглощения NаОН в зависимости от количества исходной щелочи: а) доломитизированный известняк, б) доломит Воронежский, в) доломит (Сатка).

Максимальное поглощение щелочи (рис. 1), свидетельствующее о протекании реакционного процесса, наблюдается в ранние сроки твердения на 5-7 сутки, причем наибольшая скорость поглощения NаОН проявляется в доломитизированном известняке. Так, на третьи сутки твердения количество остаточной щелочи (табл. 1) при ее исходном содержании 2, 5 и 8% составляет в доломите Воронежском 0,18; 0,27 и 0,65%, в доломите (Сатка) 0,25; 0,27;0,65 %, а в доломитизированном известняке - 0,12; 0,17 и 0,52% от массы породы соответственно.

Во всех исследованных доломитощелочных системах полное потребление щелочи заканчивается в период между 7 и 28 сутками. Следует заметить, что в процесс поглощения NаОН протекает с определенной закономерностью: увеличение концентрации щелочного активизатора в доломитощелочной системе повышает степень усвоения ее карбонатной породой в ходе химического взаимодействия. Это можно проследить на примере доломитизированного известняка: при введении 2% активизатора в возрасте 3 суток количество поглощенной щелочи составляет 1,48%, а при введении 8% активизатора это количество составляет 7,88% от массы карбонатной породы.

Из характера кривых поглощения щелочи видно, что все они носят практически симбатный характер, смещаясь относительно друг друга с изменением дозировки щелочи. Попытка аналитического описания кинетических кривых привели к следующей системе уравнений:

0?х?3; 7?х?28; 3?х?7

где б, в, г, с₁, с₂- коэффициенты;

х - время твердения.

При дозировке щелочи 2, 5 и 8% рассчитанные значения коэффициентов находятся в пределах: б =0,45-0,49, 1,57-1,61 и 2,61-2,63; г =0,019-0,023, 0,004-0,12, 0,003-0,007; в =1,36-1,47, 4,67-4,88, 7,80-7,90; с₁ =0,14-0,28, 0,02-0,15, 0,04-0,11; с₂ =0,04-1,32, 4,56-4,73, 7,70-7,82, соответственно. С учетом рассчитанных коэффициентов были построены аналитические кривые, которые приведены на рис. 2.

Рис. 2 Аналитические кривые поглощения щелочи на примере доломитизированного известняка.

Для определения кинетики реакционно-химического взаимодействия исследуемых карбонатных пород со щелочным активизатором были рассчитаны значения скоростей химической реакции в различные сроки твердения при 2, 5 и 8% исходного NаОН. Поскольку основным фактором, обусловливающим интенсивность протекания реакционно-химического взаимодействия в доломитощелочной системе, является скорость поглощения исходного щелочного реагента, то значения скоростей реакционного процесса определяли по следующей формуле [7]:

где ?С - изменение концентрации раствора NаОН, моль/л;

?t - изменение времени, сут.

Значения концентрации раствора NаОН находили по формуле:

,

где m - масса щелочи NаОН, г;

М - мольная масса NаОН, г/моль;

V - объем раствора NаОН, л.

Полученные по формулам данные приведены в табл. 1.

Таблица 1

Кинетика реакционно-химического взаимодействия карбонатных пород со щелочным активизатором NaOH в различные сроки твердения

Как видно из табл. 1, во всех доломитощелочных системах в период от начала затворения смеси до 3-их суток твердения скорость химического процесса достигает высоких значений v. Высокая скорость протекания химического процесса в ранние сроки твердения объясняется тем, что в самом начале реакционного взаимодействия поверхность зерен карбонатной породы полностью обнажена и доступна действию щелочного реагента. Причем увеличение количества исходного NаОН, вводимого в карбонатную породу в качестве щелочного активизатора, значительно повышает скорость химического взаимодействия во всех исследуемых доломитощелочных системах, что подчиняется закону действующих масс для гетерогенных систем. Так, в системе на основе доломитизированного известняка повышение количества исходного NаОН с 2 до 8% вызывает увеличение скорости поглощения щелочи от 1,03 моль/л·сут до 5,47 моль/л·сут, на основе доломита Воронежского и доломита (Сатка) скорость изменилась с 0,94 моль/л·сут до 5,43 моль/л·сут. По мере протекания химического процесса зерна карбонатной породы покрываются более или менее плотным слоем, вероятно, аморфных продуктов реакции, в результате чего скорость реакционного процесса резко снижается, что подтверждают рассчитанные значения v. Так, в период с 3 по 7 сутки скорость реакции в доломитизированном известняке снижается с 1,03-5,47 моль/л·сут до 0,063-0,025 моль/л·сут, в доломите Воронежском с 0,94-5,43 моль/л·сут до 0,09-0,05 моль/л·сут, а в доломите (Сатка) с 0,94-5,53 моль/л·сут до 0,125-0,018 моль/л·сут в зависимости от количества введенного в карбонатную породу щелочи. В период между 7 и 28 сутками изменение скорости незначительно и составляет в доломитизированном известняке 0,023-0,018 моль/л·сут, в доломите Воронежском 0,042-0,041 моль/л·сут, а в доломите (Сатка) 0,085-0,003 моль/л·сут в зависимости от количества исходного NaOH.

Слой новообразований, толщина которого в ходе реакционного процесса увеличивается с повышением количества исходного NaOH, затрудняет доступ щелочного реагента к реакционно-активным центрам карбонатной породы, в результате чего увеличение количества щелочи приводит к снижению значений скорости процесса, начиная с 3 суток твердения. Так, в системе на основе доломитизированного известняка повышение количества исходного NаОН с 2 до 8% вызывает снижение скорости поглощения щелочи от 0,063-0,040 моль/л·сут до 0,025-0,007 моль/л·сут, на основе доломита Воронежского скорость изменилась с 0,090-0,048 моль/л·сут до 0,050-0,009 моль/л·сут, на основе доломита (Сатка) с 0,125-0,040 моль/л·сут до 0,018-0,015 моль/л·сут.

Кинетика реакционно-химического процесса определяется закономерностями изменения лимитирующей стадии процесса и в практических условиях может определяться следующими явлениями [8, 9]: скоростью диффузии реагента, скоростью химического взаимодействия, скоростью вывода продуктов реакции, скоростью образования зародышей новой фазы, а также адсорбцией, возгонкой и другими явлениями.

Скорость химической реакции между карбонатной породой и щелочью в доломитощелочной системе, возможно, зависит от скорости внутренней диффузии щелочи к зоне реакции через слой продуктов реакции, т.е. кинетика процесса является диффузионной.

Толщина слоя Mg(ОН)₂ постоянно увеличивается в ходе процесса и вследствие присутствующего осмотического давления коллоидные частицы продукта заполняют капиллярное пространство. При этом щелочь в ионной форме диффундирует к поверхности карбонатной породы через коллоидные продукты со скоростью, значительно меньшей, чем скорость реакции между реагирующими веществами так, что диффузия полностью определяет кинетику процесса.

Так как внешнее сопротивление диффузии значительно меньше диффузионного сопротивления продуктов реакции, то концентрация карбонатной породы в поверхности, отделяющей ее от продуктов, практически постоянна. В поверхности, разделяющей продукты реакции от карбонатной породы, концентрация щелочи неизменно близка к нулю за счет весьма большой (по сравнению со скоростью диффузии) скорости химического взаимодействия карбонатной породы со щелочью.

В ранние сроки твердения о протекании реакционно-химического процесса можно судить по изменению удельной электропроводности [10] доломитощелочной суспензии на основе доломита карьера Сатка (рис. 3).

Рис. 3 Изменение удельной электропроводности в начальные сроки твердения.

Карбонат MgСО₃ и гидроксид магния Mg(ОН)₂, будучи нерастворимыми соединениями, а также постоянная концентрация ионов Na⁺ вносят незначительный вклад в изменение электропроводности раствора, поэтому электропроводность определяется подвижностью ионов ОН^- и СО₃^2-.

Исходные соединения реагируют в эквивалентных количествах, значит, нормальная концентрация эквивалента NаОН и Na₂CO₃ будет одинакова. При концентрации С_N = 0,1 моль-экв/л эквивалентная концентрация l(ОН^-) = 157Ч10⁴ Ом^-1Чмоль-экв^-1Чм², l(СО₃^2-) = 38Ч10^-4 Ом^-1Чмоль-экв^-1Чм². Удельная электропроводность связана с эквивалентной соотношением l= жЧ1000/C (где С - концентрация ионов электролита, моль/л), поэтому при взаимодействии карбонатной породы со щелочью наблюдается уменьшение удельной электропроводности.

В ранние сроки твердения в результате интенсивного реакционно-химического взаимодействия карбонатной породы со щелочным компонентом происходит ионообменная реакция, о чем свидетельствует быстрое уменьшение удельной электропроводности в течение 1,5 ч. Суперколлоидные частицы продуктов реакции уменьшают диффузионную проницаемость барьерного слоя, что приводит к замедлению скорости реакционного процесса в поздние сроки. В дальнейший период твердения в результате начала кристаллизации продуктов реакции, иногда включающей молекулы воды, и уменьшения концентрации ионов в растворе изменение удельной электропроводности в доломитощелочной смеси незначительно.

На рис. 4 и в табл. 2 представлена кинетика поглощения щелочи в зависимости от вида активизатора в различные сроки твердения. Результаты показывают, что интенсивное поглощение щелочного активизатора (рис. 4), свидетельствующее о наибольшей скорости протекания реакционного процесса, наблюдается при введении гидроксида натрия NaOH. Так, при введении в качестве активизатора NaOH остаточное содержание его на третьи сутки твердения в магнезите составляет 0,63%, в доломите 0,27%, в доломитизированном известняке 0,17%, а при введении КОН остаточное содержание составляет в магнезите 1,74%, в доломите 0,88%, в доломитизированном известняке 0,68%.

Таблица 2

Cодержание (Na,К)₂СО₃, (Na,К)ОН и Mg(OH)₂ в карбонатной породе при введении различных щелочных активизаторов