Введение .
Глава 1. Краткие аспекты теории диэлектрической спектроскопии и методика измерений 5
1.1 Дипольная релаксация 5
1.2 Дисперсионные уравнения 6
1.3 Диэлектрическая релаксация и термодинамические функции 8
1.4 Широкополосная методика измерения диэлектрической проницаемости.9
1.5 Расчет диэлектрической проницаемости 10
1.6 Анализ погрешностей 12
Глава 2. Обзор литературы посвященный физико-химическим свойствам монтмориллонитовых глин 13
2.1 Общие сведения о глинистых минералах 13
2.2 Физико-химические свойства монтмориллонита 14
2.3 Влияние замещающих катионов на свойства глинистых
минералов 16
2.4 Обзор работ, посвященных взаимодействию воды с поверхностью
монтмориллонитов 17
Глава 3 Экспериментальная часть 29
3.1 Подготовка исследуемого образца и протокол измерений 29
3.2 Экспериментальная установка и обработка данных 31
3.3 Результаты измерений и их обсуждение 35
Заключение 48
Список использованной литературы
Монтмориллонит (МНТ) - полезное ископаемое, которое в средние века применялось как средство для чистки ковров, тканей, в строительстве. Также применения глины распространялось в лечение ран и заболеваний кишечника. В настоящее время МНТ широко применяется в нефтяной промышленности. К+-МНТ - для очистки продуктов дробной перегонки нефтей от примесей, Иа+-МНТ - при нефтяном бурении, как связующий материал для приготовления вязких буровых растворов. Также, МНТ используют в текстильной, полимерной, косметической, пищевой, фармацевтической промышленности.
Большая удельная площадь поверхности, химическая и механическая стабильность, разнообразие структурных и поверхностных свойств делают этот минерал отличным адсорбентом [1; 2; 3; 4; 5, 6]. Следовательно, гидратационные свойства глинистых материалов являются фундаментальной проблемой в любой области их применения.
Среди разных методов исследования материалов, диэлектрическая спектроскопия получила широкое распространение. Измеряя диэлектрическую поляризацию материала под воздействием внешнего независимого электрического поля при различных температурах, возможно исследование релаксационных процессов с чрезвычайно широким диапазоном характерных времен (10-6-1012 Гц) и мониторинг различных масштабов молекулярных движений [7, 8]. В частности, диэлектрическая спектроскопия, чувствительна к кооперативным межмолекулярным взаимодействиям [8] и, таким образом, обеспечивает связь между свойствами отдельных компонентов сложного материала и характеристикой его объемных свойств. Многие ключевые аспекты свойств материала могут быть получены из анализа его диэлектрических спектров, например, из температурной зависимости диэлектрической проницаемости и времени релаксации, могут быть рассчитаны характеристики структурных и фазовых переходов, энергия активации процесса релаксации, подвижность заряда и
т.д. Кроме того, этот метод очень чувствителен к динамике воды в ионных водных растворах и может предоставить важную информацию о состоянии воды в окрестностях ионов [9].
Цель работы состоит в том, чтобы исследовать влияние обменных катионов Ca2+, Ba2+, Na+, K+ на гидратацию монтмориллонита.
Поставленная цель требует выполнения следующих задач:
1. Подготовить исследуемые образцы глин к проведению диэлектрических измерений, осуществить контроль содержания влаги.
2. Провести диэлектрические измерения в широком диапазоне частот 100-10 Гц и в низкотемпературной области -150 С - 20 С, и рассчитать диэлектрические параметры релаксационных процессов Т, Ав, а.
3. Провести анализ полученных результатов и оценить влияние обменных ионов на процесс гидратации воды.
В заключении можно сказать, что любое изменение в минералогии или в структуре глинистого материала приводит к изменениям диэлектрических свойств породы, а главным образом влияет на процессы гидратации молекул воды на поверхность минерала. Важными свойствами для обменных катионов являются: гидрофильность или гидрофобность, одновалентность или двухвалентность, координационные числа и т.д. Исходя из этих данных, можно строить предположение о модели процесса гидратации молекул воды на поверхности.
Важную роль в динамике воды в минералах играют и центры гидратации. При низких температурах наблюдается образование 2 типов структур: медленный релаксационный процесс и быстрый релаксационный процесс. Более медленный процесс, предполагают авторы статей [48] соответствует льдоподобным водным структурам, которые присоединены к гидратированным катионам. А более быстрый релаксационный процесс соответствует водным структурам, которые располагаются вблизи центров гидратации.
Итоги магистерской работы:
• Анализ экспериментальных данных позволяет сказать, что характер гидратации МНТ зависит от свойств обменных катионов.
• Ионы с положительной гидратацией Ca, Ba приводят к внутрикристаллическому набуханию, это отражается на значениях энергии активации гидратированной воды Еа и значениях амплитуды релаксационного процесса As (0,5-1).
• Ионы с отрицательной гидратацией K, Na приводят к увеличению межслоевого пространства это отражается на значениях Еа и значениях As (1,5-2)
• При увеличении влажности образцов пропорционально увеличивается амплитуда релаксационных процессов, при этом механизм гидратации сохраняется.
