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.60>
Сподели с приятели: |