Об изменении гелей алюмосиликатного состава в условиях постоянной инфильтрации

Геохимическое преобразование пород и алюмосиликатных минералов под действием непрерывного промывания в экстракторе «Сокслет» изучалось рядом авторов. Однако для уточнения роли, которую играет в процессах преобразования вещества структура исходного материала, нами был поставлен эксперимент, где промыванию подверглись аморфные Al — Si-гели. Последние были получены путем простого соосаждения из раствора, содержащего силикат натрия и хлористый алюминий, тщательно промыты и высушены при 105° С.

Полученный материал был разрезан «на мелкие кусочки» и помещен в цилиндр прибора «Сокслет», где он в течение многих месяцев подвергался следующей обработке:

1) непрерывному промыванию чистой водой (pH 6,4) при температуре 70° С (норма 3 л/день);

2) непрерывному промыванию водой с CO2 (pH 4,5) при тех же условиях;

3) постоянному пребыванию в определенном объеме дистиллированной воды (200 см3) при температуре 70° С.

Смешанный Al — Si-гель характеризуется следующими особенностями:

1. SiO2 и Al2O3 присутствуют в одинаковых молекулярных количествах: отношение Ki = SiO2/Al2O3 первоначально равно 1 (табл. 1).

2. Алюминий присутствует не только в шестерной координации (AlVI); содержание AlIV, определенное флюоресцентным рентгеновским методом Вайта, Маккинстри и Бейтса, составляет 25% всего алюминия. Если считать, что каждый Si или AlIV находятся в центре тетраэдра, а каждый AlVI занимает один октаэдр, можно вычислить отношение полиэдров и дать своего рода кристаллохимический состав геля, который отвечает следующей общей формуле: тетраэдры Si = 33% — тетраэдры AlIV = 17% — октаэдры AlIV = 50%.

3. Для Al — Si-геля характерна большая площадь поверхности (235 м2/г).

4. Материал аморфен: при дифракции рентгеновских лучей не отмечено никаких отражений, что характерно для беспорядочного распределения полиэдров вещества (фиг. 1).

Обработка геля такого состава позволила получить ряд данных, которые можно суммировать следующим образом:

1. В опыте с чистой водой (pH 6,4) через исходный материал профильтровалось 800 л. В результате произошло почти полное удаление натрия и, что особенно важно, интенсивная десилификация геля. В целом на долю вынесенного SiO2 приходилось 72% всех вынесенных соединений (3,9 мг/л). Напротив, из алюминия, который в основном сохранялся на месте с самого начала процесса, генерировался моногидрат типа бёмита у-АlO*ОН (фиг. 1). В конце опыта средняя величина параметра Ki для остаточной фазы снижалась до 0,6 (табл. 1), а содержание кристаллического гидроокисла, по данным термовесового метода, составляло 27,4%. Это означает, что 44,3% первичного алюминия геля смешанного состава было преобразовано в бёмит.

2. В опыте с водой с CO2 (pH 4,5) через материал профильтровалось 615 л. В этом случае наблюдалась такая же геохимическая эволюция, как и в предыдущем опыте с чистой водой. Процесс десилификации был еще интенсивнее; на долю вынесенного с фильтратом SiO2 приходилось 88,4% всех вынесенных соединений (7,3 мг/л). Что касается алюминия, то он полностью накапливался на месте и давал начало тригидрату типа гиббсита Al(OH)3 (фиг. 1). В момент окончания опыта отношение SiO2/Al2O3 в остаточной фазе не превышало 0,3 (табл. 1), а количество гиббсита составляло 58%. Таким образом, по сравнению с предыдущим опытом с чистой водой в присутствии CO2 в кристаллический гидроокисел преобразовывалось большее количество алюминия остаточной фазы (64,5% от первичного Al) за более короткий промежуток времени.

3. В неподвижной водной среде практически не произошло никаких изменений геля. Его химический состав изменился слабо; что касается структурной перестройки материала, то он остался аморфным, а на дифрактограмме не было отмечено никаких изменений по сравнению с исходным гелем (фиг. 1).

Полученные данные о процессах изменения одного и того же материала в различных условиях позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Al — Si-гели слабо гидролизуются. В неподвижной водной среде не было отмечено никаких заметных изменений вещества. Для того чтобы вызвать заметное геохимическое преобразование материала, необходимо было непрерывно сдвигать равновесие гидролиза путем постоянного обновления действующих растворов. Таким образом, дренаж оказывается истинным двигателем процесса выветривания в поверхностных условиях.

2. Промывание материала чистой водой и водой, содержащей CO2, вызывает геохимическое преобразование одного и того же типа, характеризующееся полным выносом SiO2 и накоплением Al2O3 в виде гидроокислов. Таким образом, установлено, что в одинаковых экспериментальных условиях дренажа и температуры происходит процесс аллитизации независимо от аморфной или кристаллической структуры первичного материала.

3. Наибольший интерес представляют кристаллохимические данные. В опытах возникают гидроокислы алюминия различного типа в зависимости от характера промывных вод. Так, в присутствии CO2, т. е. в слабокислой среде, формируется гиббсит, тогда как под действием чистой воды образуется бёмит. Это позволяет предположить, что в первом случае гиббсит образуется путем простого уплотнения катионов гидроокиси алюминия типа [Al(OH)2]+, между которыми устанавливаются связи типа Ol вследствие непосредственной координации ионов ОН. Наоборот, в опыте с чистой водой, в гораздо менее кислой среде, преобладают анионы гидроксиалюмината [Al(OH)4]-, которые при дегидратации полимеризуются и соединяются общим кислородом (связь типа 0X0). Поэтому во втором случае более вероятно образование минерала, который одновременно содержит и кислород, и гидроксил ОН. Таким требованиям лучше всего отвечает бёмит.