2011 г. О. В. Мосин, кандидат на селскостопанските науки



Дата26.09.2018
Размер120.04 Kb.
Природни фулерени и шунгит

2011 г.



О. В. МОСИН, кандидат на селскостопанските науки

Шунгит – промеждутъчен продукт между аморфен въглерод и графит, съдържащ въглерод (30%), кварц (p45%) и силикатни слюди (около 20%) [1]. Освен въглерод в състава на шунгита, добиван от Зажигинските находища (Карелия), влизат също така SiO2 (57,0%), TiO2 (0,2%), Al2O3 (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), MnO (0,15), К2О(1,5%), S (1,2%) (табл. 1, таблица 2). В пепелта, получена от термичната обработка на шунгита се съдържат неголеми количества ванадий (0,015%), никел (0,0085%), молибден (0,0031%), мед (0,0037%), арсен (0,00035%), хрим (0,0072%), цинк (0,0076%) и др.

 

Таблица 1. Химичен състав на шунгит, добит от Зажигинското находище (Карелия) (маса. %):





Елемент, компонент

Формула на елемента, компонента

Съдържание, маса. %

1

Силициев оксид

SiO2

57,0

2

Титанов оксид

TiO2

0,2

3

Алуминиев оксид

Ai2O3

4,0

5

Железен оксид(II)

FeO

2,5

6

Магнезиев оксид

MgO

1,2

7

Манганов оксид

MnO

0,15

8

Калциев оксид

CaO

0,3

9

Натриев оксид

Na2O

0,2

10

Калиев оксид

K2O

1,5

11

Сяра

S

1,2

12

Въглерод

C

30,0

13

Вода

H2O

1,7

 

Таблица 2. Химичен състав на шунгита след тремична обработка



Елемент, компонент

Формула на компонента

Съдържание % маса

1

Алиминиев оксид

Al2O3

3,05

2

Железен оксид (III)

Fe2O3

1,01

3

Железен оксид (II)

FeO

0,32

4

Калиев оксид

K2O

1,23

5

Калциев оксид

CaO

0,12

6

Силициев оксид

SiO2

3,46

7

Магнезиев иксид

MgO

0,56

8

Манганов оксид

MnO

0,12

9

Натриев оксид

Na2O

0,36

10

Титанов оксид

TiO2

0,24

11

Фосфорен оксид

P2O3

0,03

12

Барий

Ba

0,32

13

Бор

B

0,004

14

Ванадий

V

0,015

15

Кобалт

Co

0,00014

16

Мед

Cu

0,0037

17

Молибден

Mo

0,0031

18

Арсен

As

0,00035

19

Никел

Ni

0,0085

20

Олово

Pb

0,0225

21

Сяра

S

0,37

22

Стронций

Sr

0,001

23

Въглерод

C

26,26

24

Хром

Cr

0,0072

25

Цинк

Zn

0,0067

26

Вода

H2O

0,78

27

 Вода

H2O

1,40

28

Загуба при обработката

ЗПО

32,78

 

Плътността на шунгита съставлява 2,1 -2,4 г/см3; Порьозност- до 5%; издръжливост на натиск - 1000-1200 кг/см3; електропроводимост - 1500 S/м; топлопроводимост - 3,8 W/m.K [2].

Шунгитите се различават по състава на минералната основа (алуминосиликатна, карбонатна, силикатна) и количеството на въглерода в шунгита. Шунгитовите скали със силикатна минерална основа се разделят на нисковъглеродни шунгити (до 5% С), средновъглеродни шунгити (5 - 25% С) и високовъглеродни шунгити (25 - 80% С).



Дребнокристалната фина структура на шунгита притежава изразени биполярни свойства. Като резултат от това се проявя високо ниво на адхезия и способността на шунгита да се смесва практически с всички вещества. Освен това, шунгиа притежава широк спектър от бектерицидни свойства; той е адсорбционно активен по отношение на бактериални клетки, бактериофаги, патогенни сапрофити.

Способността на шунгита да прочиства водата е известна отдавна. Филтри за изчистване на вода на основата на шунгита се разработват от 1995 година. Доказано е , че вода, прекарана през шунгитов филтър, притежава общо оздравително въздействие на организма, намалява кожни раздразнения, сърбежи, обриви, ефективна е при вегето-съдова дистония, при заболявания на стомашно-чревния тракт, камъни в бъбреците.

Механизмът на взаимодействие на шунгита с водата не е изучен окончателно. Предоплага се, че шунгитът е способен да поглъща кислород, активно да взаимодейства с него като силен редуктор както във водата,така и във въздуха. При това се образува атомен кислород, който се явява силен окислител и който окислява адсорбираните от шунгита органични вещества до въглероден диоксид и вода, като освобождавапочърхността на шунгита за нови актове на адсорбция. Продължителното въздействие на шунгита към разтворените във вода метали се обяснява с това, че металите се превръщат от шунгита в неразтворими карбонати. Това улеснява процеса на окисление на органичните вещества до CO2.

Уникалните свойства на ШУНГИТА се обясняват с неговата структура. Шунгитовия въглерод образува в скалата матрица, в която са равномерно разпределени фини силикати със среден размер от около 1 микрон. (Рис. 1)



 

Рис. 1. Структура на шунгитовата скала

Основата на въглерода в шунгита представлява многослослокна филереноподобна сфера, с диаметър 10-30 нанометра (Рис. 2). Фулерени – особена форма на въглерода, които са били открити в научните лаборатории при опит да се пресъздадат процесите, протичащи в космоса, а по-късно са открити в земната кора.



Рис. 2. Нанодифракционна микрофотография на шунгитовия въглерод (сонда 0,3 - 0,7 нм.)

До неотдавна са били известни две различаващи се по своя строеж форми на въглерода във вид на диамант и графит. В структурата на диаманта всеки атом въглерод е разположен в центъра на тетраедър, за върхове на който служат четирите съседни атома въглерод (рис. 3, а). Тази структура определя диаманта като най-твърдото вещество в природата.

Обратното на диаманта, в кристалната структура на графита атомите на въглерода формират шестъгълни пръстени, оразуващи плоска решетка (рис. 3, б). Решетките са разположени една над друга в слоеве, свързани помежду си със слаби Ван-дер-Валсови сили. Това определя специфичните свойства на материалите от графит: ниска твърдост и способност лесно да се разделя на малки люспи.



Рис. 3. Структура на диаманта (а) и графита (б)

Първите фулеренови мулекули, състоящи се от полиедричени С60 и С70 атоми въглерод били открити през 1985 г. при лазерно облъчване на твърд графит. По-късно фулерено-подобни структури били открити не само в графита, но и в образувани в дъгов разряд по графитни електрони сажди, а също така и в природния минерал шунгит (0,001%). Кристал, образуван от фулеренови молекули (фуллерит) се явява мулекулен кристал; преходна форма между органични и неорганични вещества. Плътността на фулерита е 1,7 г/см3, което е значително по-малка от плътността на графита (2,3 г/см 3), шунгита (2,1 -2,4 г/см3) и диаманта (3,5 г/см ).





Рис. 4. Молекула на филерена С60

Характерна особеност в структурата на фуллерените е, че атомите на въглерода са разположени по върховете на шест- и петоъгълници, покриващи повърхността на формираните графитни сфери или елипсоиди и съставят затворени многостени, състоящи се от четно число тройно координирани атоми въглерод (рис. 4). Атомите на въглерода, образуващи сфера, са свързани помежду си с ковалентна връзка. Дължината на връзката С—С в петоъгълника е 0,143 нм, а в шестоъгълника – 0,139 нм. Дебелината на сферичната черупка е 0,1 нм, радиуса на молекулата С60 - 0,357 нм. Във въглеродния скелет атомите на въглерода се характеризират с sp2 –хибридизация; всеки атом въглерод е свързан с три С атома и допълнителна p- връзка с един от съседните му. Предполага се , че в структурата на фулерена p-връзките могат да бъдат делокализирани, както в ароматните съединения. Но, за разлика от бензола, където дължината на C-C връзките е еднаква, във фулерените може да се наблюдават връзки от «двоен» и повоче от «единичен» характер, и химиците често разглеждат фулерените като електронодефицитни полиенови системи, а не като ароматни молекули. Молекулите на фулерена може да съдържат 28, 32, 36, 50, 60, 70 и т.н. въглеродни атоми (рис. 5 ). Фулерени с брой въглеродни атоми n<60 са неустойчиви. Висши фулерени, съдържащи по-голям брой въглеродни атоми (до 400), се образуват в значително по-малки количества и често имат доста сложен изомерен състав. 





Рис. 5. Разновидности на фулерените .

Една от най-важните особености на фулерените се състои в наличието на голям брой еквивалентни реакционни центрове в тях, което води до това, че продуктите от реакциите с тяхно участие, имат сложен изомерен състав . В следствие от това, повечето химични реакции с фулерени не са селективни, което съществено затруднява синтеза на съединения на тяхна основа.

Благодарение на решетъчно-кълбовидния строеж на фулерените, те се оказали идеални пълнители и идеална смазка. Като се поставят в техните въглеродни кластери различни атоми и молекули, могат да се създават различни материали на бъдещето с широк спектър зададени физико-химични свойства. Понастоящем на основата на фулерените са синтезирани повече от 3 000 нови съединения. Перспективите за развитие на синтеза на фулерен са свързани със структурните характеристики на фулереновите молекули и големия брой на спрегнати двойни връзки в затворената въглеродна сфера. Комбинирането на фулерена с представители на множество известни групи материали отваря за химиците възможност за синтез на многобройни производни на тези съединения, които могат да бъдат използвани в различни отрасли и технологии. Фулерените могат да бъдат използвани и в нанотехнологиите, електрониката, медицината, в производството на технически продукции, стомани, сплави, бои, фини прахове, пречистване на водата и др. Сега се обсъжда идеята за фулерен базирани лекарства, чието въвеждане в тъканите позволява селективно влияние върху засегнатата рак клетки, предотвратяване на тяхното по-нататъшно размножаване. Такова противораково средство може да бъде получено от водоразтворими съединения на фулерени с вградени вътре радиоизотопи. Въпреки това, значителни пречки за използването на изкуствено синтезирани фулерени е тяхната висока цена. Средната стойност на фулерените варира от 100 до 900 долара за грам, в зависимост от качеството и чистотата им. Ето защо, перспективна посока на науката и технологиите е търсенето на нови природни фулерен съдържаща минерали, какъвто е минаралът шунгит.

Наличието на фулеренови молекули в шунгита открива широки перспективи за неговото по-нататъшно използване. Обаче, количеството на фулерени в шунгита е много малко (0,001%). Шунгитът, благодарение на своята структура притежава висока активност в окислително-редакционните процеси, широк спектър сорбционни и каталитични свойства. Това позволява ефективното използване на този минерал е окислително-редукционни процеси: в това число в металургията при леенето на високо хромен чугун в доменни пещи (1 тон шунгит заменя 1,3 тона кокс); в производство на железни сплави; при производство на фософор; в производството на карбид и силициев нитрид; като пълнител на термоустойчива боя и др.

Електропроводните свойства на шунгита и способността му да намалява нивото на електромагнитните излъчвания с честота 10 кХц – 30 Гхц и електичеки полета с честота 50 Хц позволяват създаването на нови електропроводими материали, притежаващи радиоекраниращи и радиопоглъщащи свойства; електропроводни бои, бетони, асфалти, довършителни материали, мазилки и др. На основата на тези материали от шунгит са разрабтени нагреватели, създадени са материали, които екранират електромагнитни излъчвания, получена е възможност за създаване на нови строителни материали и др.

При шлифоване на шунгит се получават фини прахове , които много добре се смесват с органични и неорганични вещества. Това свойство на шунгитовия прах позволява той да бъде използван като черен пигмент в бои на различна основа (маслени и водни), като пълнител в полимерни материали (полиетилен, полипропилен), заместител на техническия въглеводород в състава на каучука.



На основата на шунгит се създават препарати, които притежават изразена биологична активност. Използването на такива препарати в земеделието подобрява добива на картофи и води до значително увеличаване на неговата устойчивост на болести. Шунгитът притежава всички качества, необходими да добрия сорбент – висока адсорбционна способност, сила, механична стабилност, корозионна устойчивост и высока каталитична активност. Тези гореупоминати качества позволяват използването на шунгита в качествто му на филтриращ материал за очистване на отпадни води от оорганични и органохлорни вещества (нефтопродукти, пестициди, феноли, повърхностно-активни вещества, диоксини и др). Той обсорбира на повърхността си до 95% от замърсителите, премахва мътността и оцветяванията на водата и прави вкуса и приятен, като едновременно я насища с микро- и макроелементи (Табл. 3). Освен това, този минерал благодарение на сорбционната си активност по отношение на патогенната микрофлора има изразени бактерицидни свойства, което позволява провеждането на ефективна дезинфекция на питейната вода в пречиствателните станции.

Табл. 3. Показатели на ефективността на работата на минерални филтри с шунгит

Пореден номер, №

Вид замърсяване

% очистване

1

Желязо

95

2

Цинк

80

3

Хлорорганични съединения

85

5

Феноли

90

6

Цезий

90

7

Стронций

97

8

Яйца на паразити

90

9

Диоксин

98

10

Флуор

80

11

Миризма

85

12

Мътност

95

13

Амоняк

90

14

Олово

85

15

Мед

85

16

Радионуклеиди

90

 

Благодарение на тези свойства шунгитът може да бъде използван в приготвянето на питейни води, в проточните системи на всякакъв вид производства, а също така в кладенци. Особено ефективно и технологично обосновано е използването на филтриращи системи от смеси на шунгит с активен въглен или зеолит.



По този начин, шунгитът може да бъде разглеждан като алтернативен филтриращ материал, с помощта накойто може просто и икономично да се реши проблема по водоснабдяване и прочистване на водата в много проблемни региони; при очистването на градски, битови, промишлени отпадни води от нефт и нефтопродукти, в подготовката на води за ТЕЦ, бассейни, кладенци, при дезинфекция на вода и др. Запасите от шунгит са достатъчно големи (35 млн. тона.), а себестойността му е сравнително ниска в сравнение с аналогични сорбенти, което налага намирането на нови начини за по-нататъшното му използване в подготовката и пречистването на водата.


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница