К.т.н., доц. Клименко В.Г.,

аспирант Гасанов С.К.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

к.т.н., доц. Мамин С.Н.

Белгородский государственный университет, Россия

ОБРАЗОВАНИЕ ДВОЙНЫХ СОЛЕЙ В ГИПСОВЫХ СИСТЕМАХ

При производстве сухих гипсовых смесей используется целый комплекс различных добавок, регулирующих свойства материала, в том числе: сульфаты (K₂SO₄, Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄). Сульфаты K⁺, Na⁺, NH₄⁺выступают также в качестве эффективных активаторов твердения нерастворимого ангидрита. Эти же соли могут образовываться в системах на основе гипсовых вяжущих и отходов стеклобоя [1]. Ввиду небольших количеств, сведения о механизме действия таких добавок и соединениях, образуемых сульфатом кальция с ними добавками, часто противоречивы, не однозначны и требуют дальнейшего изучения.

В связи с этим, как с теоретической, так и с практической стороны, представляют определенный интерес возможные химические процессы, протекающие в таких гипсовых системах, и продукты их взаимодействия.

В научной литературе имеются сведения об образовании двойных солей между сульфатом кальция и сульфатами K⁺ [2], Na⁺ [3] и NH₄⁺ [4] с образованием сингенита (K₂[Ca(SO₄)₂]∙H₂O), глауберита (Na₂[Ca(SO₄)₂]) и коктаита ((NH₄)₂[Ca(SO₄)₂]∙H₂O).

Сингенит – это малорастворимая соль. Ее образование используется для извлечения из растворов сульфата калия. Известно несколько способов получения сингенита из которых наиболее распространенным является способ, основанный на взаимодействии сульфатных растворов с KCl и гипсом [2]. Образованием мелких не срастающихся кристаллов сингенита Даумантас Э.П. [5] объясняет снижение прочности ангидритового вяжущего, активированного добавками сульфата и хлорида калия при их концентрации больше 5–7 %.

Малорастворимая двойная соль 5CaSO₄∙Na₂SO₄∙3H₂O образуется путем смешивания горячих растворов CaCl₂ и Na₂SO₄, содержащих NaCl, который помогает образованию двойных солей [3]. Мартинайтис М.А. [6], изучавший активацию ангидрита NaHSО₄ в начальный момент твердения, высказал предположение об образовании промежуточных комплексных солей. На рентгенограммах продуктов гидратации ангидрита, им отмечено присутствие рефлексов не характерных для гипса и ангидрита.

Коктаит – редкий минерал, моноклинной сингонии [4], кристаллы игольчатые или нитевидно-пластинчатые, хорошо растворимые в воде. Используется в аналитической химии для растворения сульфата кальция.

В отдельную группу выделяют соли Туттона (шениты) двойные комплексные соли общей формулы Me^I₂Me^II(SO₄)₂∙6 H₂O. Где Me^I – Cs⁺, K⁺, Na⁺ NH₄⁺ и др., Me^II – Cd²⁺, Co²⁺, Cr²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ и др. [7].

Таким образом, приведенный выше анализ литературных данных, показывает, что в гипсовых системах при определенных условиях, возможно образование двойных солей. Вместе с тем из-за небольшого количества обнаружение их в гипсовой матрице и роль в формировании структуры гипсовых и гипсостекольных материалов и устойчивости к внешним воздействиям вызывает определенные трудности. Нахождению ответов на эти вопросы и посвящены наши работы.

Анализ состава исходных веществ и имеющихся литературных данных [1-7] позволяет предположить существование следующих соединений в гипсостекольных системах: гидросиликатов кальция, глауберита, сингенита, коктаита, гидроксиэллестадита (см. рис.).

Для изучения природы и продуктов взаимодействия сульфата кальция с сульфатами калия, натрия и аммония был применен потенциометрический метод, позволяющий по изменению величины рН суспензий контролировать ход химических реакций. В качестве исходных веществ выбраны различные модификации сульфата кальция (гипс, строительный гипс, нерастворимый ангидрит) и безводные модификации сульфатов калия, натрия и аммония. Состав продуктов кислотно-основного взаимодействия определяли по результатам РФА.

Рис. Возможные продукты кислотно-основных взаимодействий в гипсостекольных системах

Суспензии, содержащие гипса, K₂SO₄ и Na₂SO₄, имеют более щелочную реакцию среды (9,15–10,55) чем исходные вещества, что указывает на химические процессы, протекающие в данных системах. Увеличение рН среды объясняется химическими процессами, связанными с образованием сингенита и глауберита. Кроме того, дополнительные количества щелочи могут образовываться при взаимодействии Ca(OH)₂ с K₂SO₄ и Na₂SO₄. Суспензии гипса имеют щелочную реакции среды. Образование сингенита и глауберита подтверждено РФА. Отмечено влияние фазового состава сульфата кальция на образование двойных солей с сульфатами натрия и калия. Показано, что двойные соли структурируют гипсовую матрицу, создавая дополнительные центры кристаллизации. Работы по изучению двойных солей в гипсостекольных системах будут продолжены нами дальше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клименко В.Г., Павленко В.И., Гасанов С.К. Кислотно-основные взаимодействия в гипсостекольных системах // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 5. С. 12 – 15.

2. А.с. 558855 СССР. МКИ С 01B 17/96, С01D 5/10. Способ получения двойной соли сульфата калия-кальция/Н.В. Гаркунова, Ю.С. Плышевский, З.И. Плюта, К.В. Ткачев, В.А. Рябин. опубл. в Бюл. № 19, 1977.

3. А.с. 454172 СССР. МКИ С 01F 11/46, С01D 5/10. Способ получения трехводного натрийпентакальциевого сульфата /Н.К. Лукьянова, М.З. Рогозовская, И.М Хейфец. опубл. в Бюл. № 47, 1975.

4. Бокий Г.Б., Пальчик Н.А., Антипин М.Ю. Генезис и структура коктаита // Труды института геологии и геофизики / Сиб. Отделение АН СССР, 1981. вып. 487. С. 4 – 8.

5. Даумантас, Э.П. Исследование растворимости, гидратации и твердения ангидрита: автореф. дисс. … канд. техн. наук. / Э.П. Даумантас. – Каунас, 1965, – 18 с.

6. Мартинайтис М.А. Исследование физико-механических и физико-химических свойств ангидритового цемента на базе кирдонского гипса : автореф. дисс. … канд. техн. наук / М.А. Матринайтис, Каунасский политехнический институт. – Каунас, 1955. – 15 с.

7. Джесси Рассел. Соли Туттона. Издательство VSD. 2012. 118 с.