Емкость катионного обмена

Емкость катионного обмена

В кристаллических структурах, которыми являются горные породы, в местах незавершённых связей кристаллической решетки (углах сколов, нарушения кристалла) имеются не скомпенсированные электрические заряды, зачастую они отрицательны.  Кремнекислородные тетраэдры и алюмокислородно-гидроксильные октаэдры, составляющие элементарные слоистые структуры глинистых минералов способны к изоморфным замещениям. Катионы кремния и алюминия могут замещаться на катионы других элементов более низких валентностей, тем самым, создавая отрицательные электрические заряды слоев.

Величина электрического заряда напрямую зависит от характера изоморфных замещений, такие замещения составляют важную особенность большинства глинистых минералов. Когда эти замещения происходят в тетраэдрических сетках, то величина заряда больше, из-за того, что его источник расположен вблизи поверхности и ослаблена, если  он создан замещением катионов в октаэдрах. Например расстояние между кремнием и кислородом в тетраэдре равно 0,16 нм, а расстояние между алюминием и кислородом в октаэдре более изменчиво и равно около 0,189 нм.

Катионы электролита компенсируют отрицательные заряды незавершенных связей кристаллической решетки минералов. Катионы раствора, компенсирующие заряды решетки, обладают различной активностью и могут вытесняться с породы другими катионами в порядке возрастания активности. Способность породы к катионному обмену с электролитом обусловлен емкостью катионного обмена. Количественно эта способность оценивается в мг-экв га 1 грамм или на 100 грамм породы и обозначается Q или  Q100 соответственно.

Сейчас можно определить Q100  различными методами, например: по барию, по кальцию и по калию, так же по метиленовому голубому.  Из специфика состоит в том, что породу, полностью промытую от растворимых солей и диспергированную, обрабатывают раствором соляной кислоты и переводят в Н-форму, то есть замещают все адсорбционные центры катионом. Когда всё отмыто от кислоты дистиллированной водой, породу обрабатывают концентрированным раствором. Изучаемого катиона(BaCl2), если изучают Q100 по барию. После чего отмывают породу от избытка BaCl2, а адсорбированные катионы бария породой вытесняют раствором соляной кислоты и находят концентрацию бария в растворе. По полученной концентрации рассчитывают емкость катионного обмена.

Определение Q100 по метиленовому голубому (МГ)

Определение по МГ считается простым и быстрым методом. Краситель метиленовый голубой, когда растворяется в воде, диссоциирует на анионы и катионы, в итоге раствор приобретает голубой цвет, где эта окраска определяется концентрацией катионов в нём. Сущность состоит в том, что определенная навеска подготовленной породы обрабатывается раствором МГ с известной концентрации, после обмена катионами породы с раствором, их часть адсорбируется самой породой. Где изменение коцентрации раствора получают массовую емкость обмена

Q100=[pic 1]

Где C0 и Ст – начальная и конечная концентрации раствора (%),

Mc – масса образца(кг)

V-объем раствора (м3)

320-эквивалентная масса метиленового голубого

[pic 2]

Рисунок 1. Эталонная зависимость С=f(D)

Концентрация раствора МГ определяется фотоколориметром, в котором световой поток, проходя через окрашенный раствор, теряет свою интенсивность по экспоненциальному закону.

I=I0e-kl

Где I0-первоначальная интенсивность светового потока через растворитель

l-толщина слоя раствора

k=Kсп С-коэффициент поглощения, определяемый произведением Ксп