Лекция 17 (тема 5)

План лекции

1.Использование глинистых минералов. Сурфактанты.

2.Гипергенез и почвообразование.

3.Факторы, влияющие на скорость гипергенеза.

1. Использование глинистых минералов. Сурфактанты

Большая емкость катионного обмена смектитов побудила к исследованиям возможности использования их как катализаторов, т. е. веществ, которые изменяют скорость химической реакции, сами при этом не изменяясь. Глинистые катализаторы имеют возможное применение как адсорбенты для устранения загрязнения природных вод или почв.

Такое соединение, как 2,3,7,8-тетрахлородибензо-р-диоксин, является одним из наиболее токсичных загрязнителей. Соединения диоксина действуют как нервные яды и крайне токсичны. Нижнего предела, при котором диоксины считаются безвредными для природной среды, не существует. Разрушение диоксинов биологическими, химическими или термическими способами — дорогостоящий процесс, поскольку концентрации очень малы. Таким образом, для разрушения диоксина должны быть переработаны большие объемы материала.

Растворимые загрязнители типа диоксина перед разрушением желательно концентрировать адсорбцией на твердом веществе. Оптимальный твердый адсорбент должен быть дешевым, безвредным, регенерируемым, легким в обращении и быть высокоселективным к загрязнителю.

В последнее время в качестве адсорбентов использовались тонко растертый активированный уголь и древесный уголь, но они подвергались окислению в процессе термического разрушения загрязнителей. В качестве альтернативных адсорбентов были предложены смектитовые глинистые катализаторы, хотя необходимы некоторые модификации природного минерала.

Сурфактанты. Сурфактант (поверхностно активный агент) представляет собой вещество, которое вводится в раствор, чтобы повлиять (обычно увеличить) на его способность к растеканию и смачиванию (т. е. те свойства, которые контролируются поверхностным натяжением). Примерами сурфактантов служат мыла и детергенты. Молекула мыла обладает двумя особенностями, обусловливающими его очищающее действие: длинной неполярной углеводородной цепочкой и полярной группой (карбоксилатной группой). Ниже приведен пример современного детергента — лорилсульфата натрия:

Полярная карбоксилатная «голова» растворяется в воде, тогда как длинный «хвост» углеводородной цепочки хорошо смешивается с жирными веществами, эффективно перенося жир в раствор.

В общих словах, все сурфактанты ведут себя как детергенты, имеющие гидрофильную «голову» и «гидрофобный» хвост. В результате гидрофобные

77

молекулы или соединения, например диоксин и другие хлорированные фенолы, способны к взаимодействию с длинным хвостом углеводородной цепочки.

Катализаторы из модифицированных смектитовых глин. При темпера-

туре выше 200 °С происходит потеря воды из межпакетных пространств, которые сжимаются до структуры иллита. Поскольку емкость катионного обмена смектитов сосредоточена в межпакетных слоях, то есть необходимость предотвращения сжатия этих слоев, тем более что для регенерации смектитов обычно используют термическую обработку. Одним из способов удержания межпакетных пространств открытыми в отсутствие растворителя, например воды, является внедрение термически стабильных катионов, действующих как молекулярные «подставки», или «подпорки».

Можно применять различные поддерживающие агенты; наиболее распространенным является полиядерный катион гидроксиалюминия (Аl13О4(ОН)28), который устойчив при температуре выше 500 °С. Установка «подпорки» имеет еще два преимущества. Во-первых, увеличивается внутренняя поверхность межпакетного пространства, что делает его более эффективным в качестве адсорбента. Во-вторых, при введении катионных «подпорок» различных размеров и площади (площадь определяется радиусом и зарядом гидратированного катиона) становится возможным варьировать величину пространства между ними. Таким образом, можно изготавливать высокоспецифичные молекулярные сита, пригодные для того, чтобы захватывать большие ионы или молекулы и в то же время просеивать небольшие безвредные молекулы.

Смектитовые глины не обладают большим сродством к растворимым органическим загрязнителям. Ситуация была выправлена с применением поверхностно активных агентов (сурфактантов). Покрытые сурфактантом межпакетные участки обеспечивают гидрофобный субстрат (обычно длинную углеводородную цепочку), с которым диоксины и другие хлорированные фенолы (также гидрофобные) имеют большое сродство. Модифицированный смектит обладает хорошим сродством для нужного загрязнителя, а также термически стабилен, регенерируем и экономичен в использовании.

2. Гипергенез и почвообразование

Процесс разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли обычно называют выветриванием, хотя ветер к этому почти никакого отношения не имеет. А. Е. Ферсман в 1922 г. предложил другое название этого процесса — гипергенез.

В настоящее время под выветриванием, или гипергенезом, понимают сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на поверхности суши под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и жизнедеятельности организмов. Сущность этих процессов заключается в перегруппировке атомов и образовании новых устойчивых к условиям земной поверхности соединений. Различают два типа выветривания: 1) физическое, или механическое, и 2) химическое.

Физическое выветривание приводит к чисто механическому разрушению пород. Частые изменения температуры, морозное выветривание с образованием морозоустойчивых трещин и солевое растрескивание пород (возникновение

78

трещин под давлением кристаллов образующихся солей) обусловливают разрыхление структуры и распад пород на минеральные зерна.

Химическое выветривание — разрыхление коренных пород под действием кислорода воздуха, диоксида углерода, воды, органических кислот, сопровождающееся изменением их состава. Химическое выветривание в основном вызывается водой (особенно кислой водой) и газами, например кислородом, диоксидом углерода, который разрушает минералы. Некоторые ионы и соединения исходного минерала удаляются с раствором, просачивающимся через обломки минерала и питающим грунтовые воды и реки. Тонкозернистые твердые вещества могут вымываться из выветриваемого участка, оставляя химически измененные остатки, которые формируют основу почв.

Часто выделяют еще третий тип выветривания — биологическое (или органогенное). Но этот процесс связан либо с физическим действием (например, давлением корней растений), либо с химическим действием (например, воздействием органических кислот, выделяемыхкорнями растений).

Особенности гипергенеза некоторых минералов. Магматические минера-

лы, попадая на поверхность Земли, оказываются в неустойчивом состоянии. Наименее устойчивы силикаты, структуру которых образуют изолированные кремнекислородные тетраэдры, соединяющиеся катионами железа и магния. Из них более устойчивы силикаты с одинарными цепочками кремнекислородных тетраэдров (пироксены), затем с двойными цепочками (роговые обманки), далее с листовыми структурами (слюды). Железомагниевые слюды (биотиты) менее устойчивы, чем алюминиевые (мусковиты). Устойчивость полевых шпатов, обладающих каркасной структурой, зависит от размера катиона (Са2+, K+, Na+). Устойчивость плагиоклазов постепенно возрастает при переходе от кальциевого представителя к натриевому. Наиболее устойчив кварц, структура которого полностью состоит из кремнекислородных тетраэдров. В целом устойчивость главных породообразующих минералов магматических пород возрастает в соответствии с последовательностью их кристаллизации. В процессе гипергенеза наблюдается значительное изменение в структурах силикатных пород, происходит образование глинистых минералов. Так, например, в процессе разрушения полевого шпата (ортоклаза) может образоваться глинистый минерал каолинит:

4K[AlSi3O8] + 4Н2О + 2СО2 → 2K2СО3 + 8SiO2 + Al4(OH)8[Si4O10].

В зависимости от климатической зоны, времени года и местных условий процессы выветривания различных типов протекают с различной интенсивностью.

Почвообразованием называется сложный природный процесс перехода горной породы в качественно новое состояние. Этот процесс протекает при взаимодействии минерального вещества земной коры с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Причем такое взаимодействие в земных условиях происходит при прямом и косвенном влиянии других факторов внешней среды.

79