Синергизм трансформации изоморфных структур филлосиликатов
Аннотация
Рассмотрен синергизм структурных трансформаций филлосиликатов при высокотемпературных и микроволновых воздействиях с точки зрения разрушения или образования кристаллических структур. Исследование синергизма перестройки кристаллических структур является необходимым аспектом в разработке новых материалов и технологий, поскольку он позволяет создавать материалы с уникальными свойствами, которые невозможно получить при использовании только одного фактора.
Объект исследования представлял собой полиминеральный комплекс, содержавший (в порядке убывания массовой доли): кварц, монтмориллонит, каолинит, хлорит, парагонит и оксиды железа. Использованы методы, позволяющие оценить структурные трансформации. Рассчитаны усреднённые структурные формулы исследуемых филлосиликатов кислородным методом в сочетании с пересчётом по результатам микрозондового анализа. С помощью дифференциального термического анализа установлен синергизм высокотемпературных и микроволновых полей, проявляющийся в снижении температурного градиента в керамической массе и запуске процесса спекания при меньших температурах и с большей интенсивностью. Для всех обработанных проб наблюдалось содержание аморфной фазы в значительных количествах: от 15 до 25 об. %. Половина трёхслойных филлосиликатов (хлорит и монтмориллонит) разрушились в микроволновом поле. Структуры каолинита и парагонита слабо реагировали на внешние воздействия. Синергизм наиболее явно проявился в структурных трансформациях оксидах кремния и железа.
Впервые экспериментально установлен механизм образования кристаллов магнетита и гематита из рентгеноаморфных железосодержащих плёнок, обволакивающих частицы глинистых минералов. Под действием СВЧ-поля в результате дегидратации образовались зародыши кристаллов оксидов железа. Последующие высокотемпературные процессы активировали увеличение агрегативного железа (магнетита и гематита). Рентгеноструктурным анализом установлено наличие синергетических процессов эволюции структур, «невидимых» методами ИК-спектроскопии. Методом ЭПР зарегистрировано исключительное состояние редких нерегулярных ячеек с примесными
парамагнитными атомами. Смещения примесных ионов Fe3+ из геометрических центров кристаллических октаэдров в положения минимумов потенциальной энергии вследствие действия эффекта Яна-Теллера понизило потенциальную энергию кристаллической решётки. При этом произошло упрочнение одних химических связей, образующих кристаллическую ячейку, и ослабление других
Скачивания
Литература
Kolomenskiy E. N., Korolev V. A. Information entropy analysis of the structure formation in clay soils*. Inzhenernaya geologiya [Engineering Geology]. 1982;(5): 34–45. (in Russ.)
Belachew N., Bekele G. Synergy of magnetite intercalated bentonite for enhanced adsorption of congo red dye. Silicon. 2020;12(3): 603–612. https://doi. org/10.1007/s12633-019-00152-2
Zdorenko N. M., Alyabyeva T. M., Kormosh T. M. About synergism effect of complex additive of kaolin and clay suspension. Refractories and Industrial Ceramics. 2012;(4-5): 64–66. (in Russ., abstract in Eng.). Available at: https://elibrary.ru/pbcinp
Tsotetsi T. A., Mochane M. J., Motaung T. E., ... Linganiso Z. L. Synergistic effect of EG and cloisite 15A on the thermomechanical properties and thermal conductivity of EVA/PCL blend. Materials Research. 2017;20(1): 109–118. https://doi. org/10.1590/1980-5373-MR-2016-0277
Isitman N. A., Gunduz H. O., Kaynak C. Nanoclay synergy in flame retarded/glass fibre reinforced polyamide 6. Polymer Degradation and Stability. 2009;94(12): 2241–2250. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2009.08.010
Ayres C., Lawler D. F., Kirisits M. J., Saleh N. B. Synergy between microwave radiation and silver ions or nanoparticles for inactivating Legionella pneumophila. Environmental Science and Technology Letters. 2021;8(7): 581–588. https://doi. org/10.1021/acs.estlett.1c00371
Chetverikova A. G., Filyak M. M., Kanygina O. N. Influence of high-frequency microwave radiation on montmorillonite structure parameters. Ceramica. 2019;65(376): 635–640. https://doi.org/10.1590/0366-69132019653762767
Yang J. N., Li Z. Y., Xu Y. X., Nie S. B., Liu Y. Effect of nickel phyllosilicate on the morphological structure, thermal properties and wear resistance of epoxy nanocomposites. Journal of Polymer Research. 2020;27(9): 274. https://doi.org/10.1007/s10965-020-02250-x
Barry K., Lecomte-Nana G. L., Seynou M., ... Peyratout C. Comparative properties of porous phyllosilicate-based ceramics shaped by freeze-tape casting. Ceramics. 2022;5(1): 75–96. https://doi.org/10.3390/ceramics5010007
Prokhina A. V., Shapovalov N. A., Latypova M. M. Modification of the surface of clay minerals with high concentrations of montmorillonite in a highfrequency electromagnetic field*. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern high technology].2011;(1): 135–136. (in Russ.). Available at: https://elibrary.ru/nbfqnl
Khodosova N. A., Belchinskaya L. I., Novikova L. A. Effect of different mechanisms of heating of layered aluminosilicate on sorption processes Communication 1. Effect of preliminary thermal and electromagnetic (microwave) heat ing of montmorillonite on sorption of water. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy. 2017;17(5): 781–791. (in Russ.). https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2017.17/439
Anisina I.N., Chetverikova A.G., Kanygina O.N. Effect of the batch mixture composition on the kinetics of sintering of montmorillonite containing clays*. Inorganic Materials: Applied Research. 2012;(12): 48–52. (in Russ.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=19096983
Anisina I.N., Chetverikova A.G., Kanygina O.N. Activation aspects of siliceous ceramics synthesis from montmorillonite containing clay*. Vestnik of the Orenburg State University. 2012;(4(140)): 170–174. (in Russ.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=17921809
Kanygina O. N., Filyak M. M., Chetverikova A. G. Microwave-induced phase transformations of natural clay in air and humid media. Inorganic Materials. 2018;54(9): 904–909. https://doi.org/10.1134/s0020168518090042
Borneman-Starynkevich I. D. Calculating mineral formulas. Moscow, Nauka Publ.; 1964. 218 p. (In Russ.)
Bulakh A. G., Zolotarev A. A., Krivovichev V. G. Structure. Isomorphism, formulas, and classification of minerals. Saint-Petersburg: St. Petersburg State University Publ., 2014. 132 p. (In Russ.)
Sokolov V. N., Chernov M. S., Shlykov V. G., ... Krupskaya V. V. Mineral nanoparticles in dispersive soils*. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2008;(9): 88–92. (In Russ.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=11155131
Beaufort D., Rigault C., Billon S., ... Patrier P. Chlorite and chloritization processes through mixedlayer mineral series in low-temperature geological systems – a review. Clay Minerals. 2015;50(4): 497–523. https://doi.org/10.1180/claymin.2015.050.4.06
Drits V. A., Kossovskaya A. G. Clay minerals: smectites and mixed-layer formations. Moscow, Nauka Publ.; 1990. 214 p. (In Russ.)
Makarov V. N. An energy-based approach to the description of structural transformations in iron oxides and aluminosilicates comprising natural clay minerals*. Cand. Phys.-Math. Sci. diss. of: 1.3.8. Tver: 2022. (in Russ.). Available at: https://www.dissercat.com/content/opisanie-strukturnykh-prevrashchenii-voksidakh-zheleza-i-alyumosilikatakh-sostavlyayushchik
Vanetsev A. S., Tretyakov Y. D. Microwaveassisted synthesis of individual and multicomponent oxides. Russian Chemical Reviews. 2007;76(5): 397–413. https://doi.org/10.1070/rc2007v076n05abeh003650
Escalera E., Antti M. L., Odén M. Thermal treatment and phase formation in kaolinite and illite based clays from tropical regions of Bolivia. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2012;31(1): 012028. https://doi.org/10.1088/1757-899x/31/1/012017
Makarov V. N., Kanygina O. N. Model of destruction of montmorillonite crystal structure in a microwave field. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2020;11(2): 153-160. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2020-11-2-153-160
Jovanovski G., Makreski P. Minerals from macedonia. XXX. Complementary use of vibrational spectroscopy and x-ray powder diffraction for spectrastructural study of some cyclo-, phyllo- and tectosilicate minerals. A review. Macedonian Journal of Chemistry and Chemical Engineering. 2016;35(2): 125–155. https://doi.org/10.20450/mjcce.2016.1047
Tironi A., Trezza M. A., Irassar E. F., Scian A. N. Thermal treatment of kaolin: effect on the pozzolanic activity. Procedia Materials Science. 2012;(1): 343–350. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2012.06.046
Khang V. C., Korovkin M. V., Ananyeva L. G. Identification of clay minerals in reservoir rocks by FTIR spectroscopy. OP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2016;43(1): 012004. https://doi.org/10.1088/1755-1315/43/1/012004
Fricke H. H., Mattenklott M., Parlar H., Hartwig A. Method for the determination of quartz and cristobalite [Air Monitoring Methods, 2015]. The MAK-Collection for Occupational Health and Safety. 2002; 1(1):401–436. https://doi.org/10.1002/3527600418.am0sio2fste2015
Tyagi B., Chudasama C. D., Jasra R. V. Determination of structural modification in acid activated montmorillonite clay by FT-IR spectroscopy. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2006;64(2): 273–278. https://doi.org/10.1016/j.saa.2005.07.018
Kloprogge J. T., Frost R. L. Infrared emission spectroscopic study of some natural and synthetic paragonites. Applied Spectroscopy. 1999;53(9): 1071–1077. https://doi.org/10.1366/0003702991948071
Chetverikova A. G., Kanygina O. N., Filiak M. M., Ogerchuk S. A. Structural and morphological peculiarities of montmorillonite treated with microwave radiation. Physics and Chemistry of Materials Treatment. 2019;(3): 5–12. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.30791/0015-3214-2019-3-5-12
Comodi P., Zanazzi P. F. Structural thermal behavior of paragonite and its dehydroxylate: a hightemperature single-crystal study. Physics and Chemistry of Minerals. 2000;27: 377–385. https://doi.org/10.1007/s002690000085
Kanygina O. N., Filiak M. M., Chetverikova A. G. Structural transformations in aluminum and silicon oxides in microwave fields. Materials Science. 2020;5: 37–42. https://doi.org/10.31044/1684-579x-2020-0-5-37-42
Hall P. L. The application of electron spin resonance spectroscopy to studies of clay minerals: I. Isomorphous substitutions and external surface properties. Clay Minerals. 1980;15(4): 321–335. https://doi.org/10.1180/claymin.1980.015.4.01
Sorieul S., Allard T., Morin G., ... Calas G. Native and artificial radiation-induced defects in montmorillonite. An EPR study. Physics and Chemistry of Minerals. 2005;32: 1–7. https://doi.org/10.1007/s00269-004-0427-6
Gilinskaya L. G., Grigorieva T. N., Razvorotneva L. I. , Trofimova L. B. Composition and physicochemical properties of natural blue clays*. Chemistry for Sustainable Development. 2008;16(2): 147–157. (in Russ.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=11532517
Badmaeva S. V. Synthesis of Al-, Al/Fe intercalated montmorillonites and analysis of their physicochemical properties*. Cand. Сhem. Sci. diss.: 02.00.04. Irkutsk: 2005. (in Russ.). Available at: https://www.dissercat.com/content/sintez-al-feal-interkalirovannykhmontmorillonitov-i-issledovanie-ikh-izikokhimicheskikh-s
Worasith N., Goodman B. A., Neampan J., ... Ferrage E. Characterization of modified kaolin from the Ranong deposit Thailand by XRD, XRF, SEM, FTIR and EPR techniques. Clay Minerals. 2011;46(4): 539–559. https://doi.org/10.1180/claymin.2011.046.4.539
Kuzakov A. S. Electron paramagnetic resonance of degenerate orbitals in three-coordinate Ni(I) complexes*. Cand. Phys.-Math. Sci. diss. Irkutsk: 2012. (In Russ.). https://www.dissercat.com/content/elektronnyi-paramagnitnyi-rezonans-orbitalnovyrozhdennykh-sostoyanii-v-trikoordinatsionnykh
Copyright (c) 2024 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
