Минералогия глины · Dr.

Кирпичи изготавливаются из глины более 6000 лет с использованием тех же основных принципов, что и сегодня. Это пластическая деформируемость глинистых минералов в водных системах и необратимые минеральные реакции при обжиге керамики. Пластичное глинистое тело трансформируется в твердые минеральные фазы.

Каолинит/шамот: увеличивает интервал спекания и снижает теплопроводность обожженного тела

Пирофиллит: снижает пластичность и значительно повышает огнеупорность

Тальк: улучшает формуемость при экструзии с помощью вакуумного пресса

Минералогический состав глины в сырье имеет решающее значение для качества кирпича и эффективности производственного процесса. Молекулярно-кристаллическая структура оказывает существенное влияние на производство кирпича. Субмикроскопические структуры с размером частиц менее 2 мкм определяют параметры обработки керамики.

Мусковит/серицит/иллит: калий действует как флюс и снижает водопоглощение

Монтмориллонит: Чрезвычайно повышает пластичность и чувствительность к сушке и нагреву

Хлорит: Сокращает интервал спекания и снижает линейную усадку при высыхании.

Минералогический фазовый анализ, его интерпретация и практическое применение являются очень увлекательными темами. Для получения более подробной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами. Телефон: +49551 504550. Электронная почта: [email protected].

Структура глинистых минералов

Глинистые минералы представляют собой гидросиликаты алюминия. Обычно они состоят из плоских кристаллов с размером частиц менее 2 мкм. Кислород и гидроксид образуют тетраэдрические и октаэдрические слои с интеркалированными катионами. Все модели модифицированы по GRIM, R.E. (1953).

Модель SiO4-тетраэдров (вид перпендикулярно кристаллографической с-плоскости)

Центральное тетраэдрическое положение обычно занимают ионы кремния, которые могут быть частично замещены ионами алюминия. Центральный катион окружен четырьмя ионами кислорода под углом 109,5°, образующие равносторонний тетраэдр.

Тетраэдры SiO ₄ имеют три общих аниона кислорода в двумерной плоскости, причем все тетраэдры направлены в одном направлении. Двумерная сетка в кристаллографической плоскости a-b имеет химический состав [Si ₂ O ₅ ] ^2- и образует гексагональную структуру. Четырехгранный лист имеет толщину 4,93 Å.

Тетраэдры SiO4 расположены в виде гексагональных колец перпендикулярно кристаллографической оси с

M _2/3 (ОН) ₆ -октаэдрические пластины являются вторым основным элементом минеральной структуры филлосиликатной глины. Каждый положительно заряженный ион металла окружен шестью отрицательно заряженными гидроксид-ионами, образующими октаэдр.

Модель октаэдрического листа M2/3(OH)6 (вид перпендикулярно кристаллографической c-плоскости)

Центральное октаэдрическое положение обычно занимает Al3+, который может быть замещен ионами магния и железа или другими ионами. В диоктаэдрических глинистых минералах две трети центральных октаэдрических позиций заняты ионами металлов (преимущественно с Al3+ и Fe3+) для баланса заряда. С другой стороны, в триоктаэдрических глинистых минералах все центральные октаэдрические позиции заняты (преимущественно Mg2+ и Fe2+). Б ₀ — Параметр октаэдрического листа меняется в зависимости от центрального катиона:

Al ³⁺ = 8,64 Å, Fe ³⁺ = 9,00 Å, Mg ²⁺ = 9,3 9 Å, Fe ²⁺ = 9,78 Å.

В отличие от тетраэдрических листов, октаэдрические листы также стабильны как независимые минералы, такие как Brucit Mg ₃ (OH) ₆ и Gibbsit Al ₂ (OH) 9016 8 6 .

Тетраэдрические и октаэдрические листы образуют слои в кристаллографическом c-направлении, связанные взаимными атомами кислорода. Свободные тетраэдрические атомы кислорода соединяют тетраэдрические и октаэдрические листы. Две трети октаэдрических ионов гидроксида замещены этими тетраэдрическими атомами кислорода. Классификация глинистых минералов определяется типом слоистости и расстоянием между слоями:

Kaolin-Serpentine-Group

Глинистые минералы этой группы имеют один тетраэдрический и один октаэдрический лист, упакованный в каждый слой, и поэтому представляют собой глину 1:1. Характерное расстояние между слоями для этой группы составляет c _o = 7,0 – 7,3 Ангстрема (Å) в зависимости от типа минерала. Листы удерживаются вместе диполь-дипольными взаимодействиями, водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Минералы каолин-серпентиновой группы представляют собой ненабухающие глинистые минералы и сравнительно устойчивые минеральные фазы. Комбинация из 50 листов/слоев образует одну частицу каолинита.

Пространственное отображение внутрикристаллической структуры ненабухающего каолинита.

Каолиновые минералы представляют собой диоктаэдрические двухслойные силикаты, в которых Al ³⁺ занимает две трети центральных октаэдрических позиций. Примерами являются каолинит и неупорядоченный каолинит, известный как каолинит-D со смещенной кристаллической решеткой в ​​направлении b. Идеальная химическая формула:

Каолиновые минералы: Al ₂ [(OH) ₄ Si ₂ O ₅ ]

Серпентиновые минералы представляют собой двухслойные силикаты, в которых все центральные октаэдрические позиции заняты ионами Mg ²⁺ -. Примерами являются минералы хризотил и антигорит с идеальной химической формулой:

Серпентиновые минералы: Mg ₃ [(OH) ₄ Si ₂ O ₅ ]

Серпентиновые минералы не относятся к кирпичной промышленности, но упоминаются для понимания систематики глинистых минералов.

Группа Пирофиллит-Тальк

Трехслойные силикаты типа 2:1 образованы слоями одного октаэдрического листа между двумя тетраэдрическими листами. Свободные атомы кислорода обоих тетраэдрических листов указывают на центральный октаэдрический лист. В диоктаэдрическом пирофиллите центральное октаэдрическое положение занимает Al ³⁺ , а в триоктаэдрическом тальке — Mg ²⁺ . В обоих минералах слои не имеют заряда.

Пространственное отображение внутрикристаллической ненабухающей структуры пирофиллита

Связи между листами представляют собой диполь-дипольные взаимодействия, водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса. Слои не заряжены и не проявляют способности к внутрикристаллическому набуханию. Характерное расстояние между слоями для этой группы составляет c0 = 9 – 10 Å. Идеальные химические формулы:

Пирофиллит: Al ₂ [(OH) ₂ Si ₄ O ₁₀ ]

  9000 3

Тальк: Mg ₃ [(ОН) ₂ Си ₄ O ₁₀ ]

Иллит-слюдяная группа

Минералы иллит-слюдяной группы представляют собой трехпластовые силикаты типа 2:1. В отличие от группы пирофиллит-тальк они имеют заряженные слои, поскольку ионы Si ⁴⁺ — замещены ионами Al ³⁺ — в тетраэдрических листах. Отрицательный заряд слоев компенсируется крупными ионами калия в межслоевом пространстве. Электростатическое притяжение между ионами калия и слоями тетраэдра-октаэдра приводит к ненабухающей кристаллической решетке с основным расстоянием c _о = 10 Å.

Пространственное отображение структуры мусковита-иллита. Внедрение молекул воды вызывает вздутие по краям структуры и увеличивает расстояние между слоями c0.

Периферийный вынос ионов калия в результате процессов выветривания вызывает частичное внедрение молекул воды в межслоевое пространство. Они ответственны за эффективное дробление частиц, высокую пластичность и набухание краев кристаллической решетки. В результате происходит следующее минеральное превращение:

Мусковит – серицит – иллит – смешанный слой – монтмориллонит.

Слюды различаются по типу катиона в их центральном октаэдрическом положении. В диоктаэдрическом мусковите, сериците и иллите трехвалентный алюминий занимает центральное октаэдрическое положение, тогда как в триоктаэдрическом биотите ионы двухвалентного магния или железа занимают центральное октаэдрическое положение. Мусковит, серицит и иллит имеют большое значение в кирпичной промышленности. Одна частица иллита образована 10-20 элементарными слоями.

Москвич: K Al ₂ [(OH) ₂ Al Si ₃ O ₁₀ ]

Иллит: K _x Al ₂ [(OH) ₂ Al _x Si _4-x O ₁₀ ]     (x < 1)

Глауконит – железосодержащий иллит с замещениями Fe ^{3+ 9017 5 _, Fe 2+ и Mg 2+ в октаэдрических листах. Возможны переходы к триоктаэдрическим структурам.}

Smectite-Group

Структура смектита может быть получена из структуры слюды. Смектиты представляют собой древесно-листовые силикаты с заряженными слоями. По сравнению со слюдой заряд слоя мал, межслоевое пространство заполнено гидратированными катионами вместо ионов калия. Слабые электростатические силы между отрицательно заряженными слоями и межслоевыми катионами приводят к сильному внутрикристаллическому набуханию и низкой стабильности.

Пространственное отображение внутрикристаллического набухающего монтмориллонита

Расстояние между слоями варьируется между c _o = 12 — 18 Å в зависимости от типа межслоевых катионов и степени гидратации. Полный распад сетки слоев возможен, если межслоевое пространство заполнено ионами натрия. Одна частица смектита состоит из 2-5 слоев.

Монтмориллонит представляет собой диоктаэдрический смектит, в котором главным образом Al ³⁺ и Mg ²⁺ -ионы занимают центральное октаэдрическое положение.

Монтмориллонит: (Al, Mg) _x [(OH) ₂ Si ₄ O ₁₀ ] nH ₂ O (Na, K, Ca _0,5 ) _X 90 317

Chlorite-Group

Глинистые минералы группа хлорита состоит из отрицательно заряженных слоев и положительно заряженных октаэдрических межслоевых слоев. Октаэдрические межслоевые листы в основном состоят из Mg(OH) ₂ . Минералы этой группы называются трехпластовыми минералами типа 2:1:1 или четырехпластовыми минералами типа 2:2. Отрицательный заряд слоев является результатом замещения кремнезема-алюминия в тетраэдрических листах.

Пространственное отображение внутрикристаллической структуры ненабухающего хлорита с октаэдрической прослойкой (брусита)

Хлориты представляют собой внутрикристаллические ненабухающие глинистые минералы с расстоянием между слоями c _o = 14 Å. Большинство хлоритов имеют триоктаэдрическую форму с ионами магния, занимающими центральное октаэдрическое положение. Хлориты могут иметь широкий диапазон химического состава.

Минералогический фазовый анализ

С геологической точки зрения глины являются наиболее сложными природными минеральными агрегатами. Не в последнюю очередь из-за их субмикроскопического размера частиц прямое визуальное наблюдение за этими минералами невозможно. Для определения вида и доли компонентов глинистой минеральной смеси необходимо сочетать рентгенографический и термоаналитический методы. Распространенными методами являются сканирующая электронная микроскопия (SEM), рентгенофлуоресцентный анализ (XRF), рентгеноструктурный анализ (XRD), синхронный термический анализ (STA) и распределение частиц по размерам (PSD).

Фазовый анализ/Рентгеновская дифрактометрия (2015)

Фазовый анализ/Инфракрасный спектр (2015)

Фазовый анализ/одновременный термический анализ (2016)

Рентгеноструктурный анализ как методологическая основа

Фазоаналитическое определение глинистых минералов имеет важное значение для технического использования глины. Минералогическая структура и состав глины напрямую влияют на технические свойства глины. Это важно для использования глины в керамической промышленности, а также в других областях.

Количественный минеральный фазовый анализ глинистых минералов является одной из наиболее сложных задач минералогии. Работа Макса фон Лауэ проложила путь рентгеновскому анализу кристаллов. В 1912 году он открыл дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах. Это доказало не только волновой характер рентгеновских лучей, но и решетчатую структуру кристаллов. За свое открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1914 году. До сих пор рентгеноструктурный анализ является важнейшей методологической основой минералогии глин.

Принцип дифракции рентгеновских лучей

Дифракция рентгеновских лучей представляет собой упругое рассеяние рентгеновских лучей атомами в периодической решетке. Образовавшиеся интерференционные кластеры являются диагностическими для кристаллической структуры. Закон Брэгга представляет собой математическую связь между кристаллографической структурой и дифракционным изображением, полученным при дифракции рентгеновских лучей. На дифракционных диаграммах видны интерференционные максимумы (пики) под определенными углами в зависимости от кристаллической решетки. Каждое кристаллическое вещество дает индивидуальную рентгеновскую дифрактограмму, которую можно отнести к определенным минеральным фазам.

Определение структуры с помощью рентгеновской дифрактометрии, Thomas Splettstoesser (www. scistyle.com)

Анализ минеральных ассоциаций

Минеральные ресурсы обычно представляют собой совокупность различных минеральных фаз. Рентгеноструктурный анализ не дает количественных результатов, так как интенсивность интерференционных максимумов не коррелирует с количеством минеральной фазы. Более того, отнесение пиков к конкретным минеральным фазам может быть затруднено, если пики разных минералов перекрываются. Это особенно относится к глинистым минералам, поскольку они структурно очень похожи. Следовательно, рекомендуется анализировать глинистые минералы отдельно без присутствия других минералов.

В центробежном поле из водной дисперсии отделяют фракцию < 2 мкм. Идентификация и дифференциация глинистых минералов основывается на установлении межбазальных промежутков dL (001-рефлексы) в направлении с и определении b-параметра (060-рефлекс). Вот почему образец текстуры в идеале должен иметь параллельную ориентацию отдельных частиц глины. Поскольку некоторые расстояния между слоями совпадают и вызывают сходные рефлексы, для четкой идентификации необходимо провести доказательство способности к набуханию. Для подтверждения этого второй образец текстуры обрабатывают парами этиленгликоля в вакуум-эксикаторе. В случае внутрикристаллического набухающего минерала будет обнаружено диагностическое расширение кристаллической решетки.

Дополнительная инфракрасная спектроскопия (FTIR)

Недостаток рентгеновской дифракции заключается в том, что она может надежно обнаруживать только кристаллические фазы и поэтому недостаточна для полного определения типа и количества фаз глинистых минералов в минеральной ассоциации. Аморфные фазы, такие как вулканическое стекло, не могут быть надежно обнаружены ни качественно, ни количественно. По этой причине дифракцию рентгеновских лучей приходится сочетать с дополнительным методом. Инфракрасная спектроскопия оказалась наиболее подходящей. Недостаток рентгеновской дифракции заключается в том, что она может надежно обнаруживать только кристаллические фазы и поэтому недостаточна для полного определения типа и количества фаз глинистых минералов в минеральной ассоциации. Аморфные фазы, такие как вулканическое стекло, не могут быть надежно обнаружены ни качественно, ни количественно. По этой причине дифракцию рентгеновских лучей приходится сочетать с дополнительным методом. Инфракрасная спектроскопия оказалась наиболее подходящей.

Метод основан на взаимодействии инфракрасного излучения (0,7 – 500 мкм) с веществом. Поглощение определенных значений энергии инфракрасного излучения приводит к тому, что отдельные молекулярные группы демонстрируют характерный спектр колебаний. Поскольку количество поглощенной энергии зависит от количества молекул в инфракрасном луче, можно получить количественные данные о содержании минералов. Определение количества минералов производится путем анализа погасания луча на выбранных измерительных метках. С помощью инфракрасной спектроскопии можно обнаружить и проанализировать даже аморфные, микрокристаллические или слабокристаллизованные фазы.

Сканирующая электронная микроскопия

Чем тоньше вещество, тем сложнее и сложнее анализ — это проще говоря. С помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) можно визуализировать мельчайшие текстуры минералов и микроструктуры сложных агрегатов глинистых минералов. Изображения СЭМ ниже показывают значительные различия между различными типами глинистых минералов. Все изображения СЭМ были предоставлены «Архивом глин Минералогического общества Великобритании и Ирландии и Обществом глиняных минералов».

Каолинит, червеобразные структуры/Южная Австралия (www.minersoc.org/gallery.php?id=2)

Хлорит, параллельная ткань/Польша (www.minersoc.org/gallery.php?id=2)

Смектит, структура, напоминающая «карточный домик», Антарктида (www.minersoc.org/gallery.php?id=2)

Хлорит и волокнистый иллит/Северное море (www.minersoc.org/gallery.php?id=2)

Corrensite, структура, напоминающая «карточный домик»/Центральная Африка (www.