بخشی از مقاله
فعال سازي بنتونیت داخلی جهت مصرف در صنایع ریخته گري به عنوان چسب قالب
چکیده:
بنتونیت به دلیل خواص کلوئیدي و چسبندگی داراي کاربردهاي بسیاري در ریخته گري به عنوان چسب ماسه میباشـد. در این صنعت از نوع بنتونیت سدیمی استفاده میشود که معادن آن در ایران بسیارکم و داراي نا خالصی زیادي میباشند کـه کاربرد در ریخته گري را دچار مشکل میکند. هدف از این پژوهش فعـال سـازي بنتونیـت توسـط کربنـات سـدیم، بررسـی خواص بنتونیت سدیک و مقایسه آن با نوع کلسیک و بررسـی اثـر متغییرهـاي دمـا، زمـان و غلظـت کربنـات سـدیم اسـت.
مجموعه آزمایشات و آنالیزهاي صورت گرفته شامل پراش اشعه X (XRD)، آنالیز ترکیب شـیمیایی (XRF)، آنـالیز افتـراق حرارتی همزمان (DTA ,TG)، آزمایش میزان جذب متیلن آبی (Methylen Blue)، میزان اندیس تورم، اسـتحکامتـر و خـشک میباشد. نتایج نشان میدهد استفاده از کربنات سدیم به میزان 7/75 درصد وزنی خاك بنتونیت (بر مبناي خشک) در دماي
20 درجه سانتیگراد و زمان 30 دقیقه بهترین شرایط فعال سازي بنتونیت براي دستیابی به خواص بهینه است.
کلیدواژه:
بنتونیت، ریخته گري، فعال سازي، چسب قالب.
-1 مقدمه
بنتونیت مادهاي معدنی از گروه رسها است و با توجه به ویژگیهاي گوناگون فیزیکی و شیمیایی نقش مهمی در صنایع ایفـا میکنـد. بنتونیـت، فیلوسـیلیکات آلومینیـوم دار بـا فرمـول (Na,Ca)0.33 (Al,Mg)2Si4O10(OH)2.nH2O بـوده و عمـدتاً از مونـت موریلونیت یا کانیهاي گروه اسمکتیت تشکیل میشود. واحد ساختاري مونت موریلونیت یک لایه هشت وجهـی آلومینیـومی است که در میان دو لایه چهاروجهی سیلیسی محبوس شده است. در سیلیس چهار وجهی، یون Si+4 در وسط و چهـار یـون اکسیژن در چهار رأس هرم قرار دارند. قائده چهار وجهی به سمت بیرون لایه و رأس آن به سمت مرکـز آلومینیـوم هـشت-
وجهی است. در هشت وجهی، یون آلومینیوم در وسط و چهار یون اکسیژن و دو یون هیدروکـسیل در شـش رأس آن قـرار دارند. هر چهار وجهی با یک یون اکسیژن مشترك به چهاروجهی کنارخود متصل و با یک یون اکسیژن دیگـر بـه واحـدهاي هشت وجهی متصل میشود. [1] لذا با توجه بـه خاصـیت تبـادل یـونی مونـت موریلونیـت یـونهـاي Mg+2 و Fe+2 قـادر بـه جانشینی به جاي Al+3 هستند و به دلیل جانشینیهاي مذکور بار الکتریکی منفی در شبکه پدید میآید که براي خنثی شدن آن واحد بارالکتریکی مثبت به صورت یک کاتیون قلیایی یا قلیایی خاکی آبدار میتواند در فضاي بین لایـههـا جـایگزین شـود و پیوند میان لایههاي سه واحدي مونت موریلونیت توسط این کاتیونها برقرار شود[2] که به دلیل پیوند ضعیف واندروالـسی قادر به جذب مقادیر زیادي آب میباشد. انواع بنتونیت داراي جذب آب متفاوت هستند، بنتونیت سدیم جذب آب بسیار بالایی دارد و درصنایع متعدد مثل ریخته گري و شمش سازي به عنوان چسب عمل میکند. لیکن اکثر معادن بنتونیت داراي ترکیبی از بنتونیت سدیم وکلسیم هستند و فعال سازي بنتونیت به روش سودا به منظور جایگزینی یون کلـسیم بـه وسـیله سـدیم و بهبود خواص آن میباشد. این روش معمولا توسط کربنات سدیم یا هیدروکسیدسدیم صورت گرفته که به دلیـل در معـرض قرار گرفتن این مواد با بنتونیت، یون سدیم جایگزین یون کلسیم شده و بنتونیت سدیم تشکیل میشود .[3]
۱
-2 فعالیتهاي عملی
دراین پژوهش بنتونیت طبس(چاوش معدن) مورد آزمایش قرار گرفته و براي فعال سازي از کربنـات سـدیم مـرك آلمـان و براي اندازه گیري جذب متیلن آبی از متیلن بلو شرکت مرك آلمان استفاده شد. جهت طراحـی آزمـایش و بررسـی اثـر دمـا، زمان و غلظت کربنات سدیم از روش تاگوچی و نرم افزار Design Expert 7 استفاده و 15 نمونه توسط نـرم افـزار طراحـی شد. جدول 1 شرایط فعال سازي را در 15 نمونه نشان میدهد. به منظور فعال سازي مقدار 50 گرم از پـودر بنتونیـت (زیـر
36 میکرون) را با نسبت مشخص از کربنات سدیم در 200 میلی لیتر آب مقطر توسط همزن مغناطیسی مخلوط میکنیم. پـس از مخلوط سازي مخلوط را در بشر ریخته و آن را به مدت 24 ساعت بدون حرکـت مـیگـذاریم سـپس آنچـه روي مخلـوط شناور مانده (Supernatant) را در ظرف دیگري ریخته و جمعآوري میکنیم و آنچه که در ظرف رسـوب کـرده (Sediment)
را دوباره رقیق میکنیم. عملیات فوق را تکرار کرده تا دیگر هیچ ذره بنتونیت شناور نشود. سـپس Supernatant جمـعآوري شده را جهت جدا سازي جامد از آب سانتریفیوژ کرده و پس از هموژن سازي گل سـانتریفیوژ، آن را در دمـاي 110 درجـه سانتیگراد خشک میکنیم سپس با استفاده از بالمیل آزمایشگاهی آن را پودر کرده تا از مش 200 عبور کند.
جدول -1مشخصات 15 نمونه
بر روي 15 نمونه تهیه شده آزمایشات درصدتورم و جذب متیلن بلوانجام شد. انتخاب این دوآزمایش به دلیل اهمیت آنهـا از حیث در ارتباط مستقیم بودن با میزان فعال شدن بنتونیت میباشد، به طوریکه هرچه درصدتورم بالاتر باشد نمونه از لحاظ فعال بودن براي کاربرد مورد نظر داراي شرایط بهتري خواهد بود. نمونه با میزان جذب متیلنبلو بالاتر داراي میـزان بـالاتر مونت موري لونیت بوده و از آنجایی که این کانی بالاترین ظرفیت تعویض کاتیونی را دارد نشان دهنده عملکرد بهتـر فراینـد فعالسازي خواهد بود. با توجه به نتایج حاصل از این دو آزمایش اثر سه متغیر دما، زمان و غلظت کربنات سـدیم بـر روي این دو خاصیت بررسی شده و در نهایت طبق استاندارد ایران خودرو نمونه بهینه براي روش فعالسازي با کربنـات سـدیم به عنوان چسب قالب ریخته گري تعیین میگردد. میزان اندیس تورم، جذب متیلن آبی، استحکام فشاري تر و خشک براساس استاندارد شماره FY-LA-IN-1113 تعیین شد. [7] براي آنالیزکانیشناسی نمونه خام ونمونههاي فعال شده از الگوهاي پراش اشعه ایکس (XRD) دستگاه XRD Xpert شـرکت Philips و بـراي آنـالیز عنـصري هـم از روش XRF دسـتگاه XRF Pw 2404
شرکـت Philips استـفاده شـد. براي بررسی تغییر در رفتـارحرارتی بنتـونیـت در اثـر فعـالسـازي آنالیــز STA از دسـتگاه PL-STA165c ساخت کشور انگلیس در اتمسفر هوا با سرعت گرمایش 10ºk/min استفاده شد.
-3 نتایج و بحث
اندیس تورم در نمونه خام 20 درصد و میزان جذب متیلن آبی 56ml/gr میباشد. نتایج حاصل از آزمایشات بـراي 15 نمونـه فعال شده در جدول 2 آمده است. با استفاده از این نتایج و به کمک نرم افزار Design Expert7 بررسی اثر دما، زمان و غلظت کربنات سدیم بر درصد تورم و جذب متیلن آبی و انتخاب نمونه بهینه امکان پذیر است. شکل1 اثر افزایش دما بـین20 تـا 90
درجه سانتیگراد بر میزان تورم در نمونههاي فعال شده در زمان ثابت و غلظت ثابت کربنات سدیم را نشان میدهد.
شکل -1اثر دما بر میزان اندیس تورم شکل -2 اثر زمان بر میزان اندیس تورم
شکل -3اثر غلظت کربنات سدیم بر میزان اندیس تورم شکل -4 اثر دما بر میزام جذب متیلن آبی
شکل -5اثرزمان بر میزان جذب متیلن آبی شکل -6 اثر غلظت بر میزان جذب متیلن آبی
با توجه به نمودار با افزایش دما اندیس تورم کاهش پیدا میکند کـه علـت ایـن موضـوع فروپاشـی لایـههـاي دو بـه یـک در اسمکتیتها و در نتیجه در بنتونیت است. همچنین در اثر حرارت، کاتیونهاي قابل تعویض تمایل به حرکـت بـه داخـل شـبکه
۳
رس داشته و بتدریج خاصیت تورمیرس کم میشود. شکل 2 اثر زمان مخلوط سازي را بر میـزان انـدیس تـورم در دمـاي ثابت و غلظت ثابت کربنات سدیم در بنتونیت را نشان میدهد. با توجه به نمودار با افزایش زمان میزان اندیس تورم افـزایش یافته که نتیجه قابل انتظاري است زیرا هر چه زمان مخلوط سازي بیشتر باشد کاتیونها فرصت بیشتري براي جـایگزینی و خروج از شبکه را دارند. شکل 3 اثر غلظت کربنات سدیم بر میزان اندیس تورم در شرایط زمان ثابت و دماي ثابت را نـشان میدهد. با توجه به نمودار با افزایش غلظت کربنات سدیم میزان تورم به صورت خطی افزایش مییابد. به صورت کلی ذرات رس باردار یکدیگر را دفع میکنند، درحالیکه رس بدون بار ذرات مشابه خود را دفع نمیکند. لذا مقدار نیروي دافعه، بـه نـوع کاتیون جذب شده توسط رس بستگی دارد. چنانچه کـاتیون جـذب شـده بـه وسـیله رس بـه شـدت یـونیزه شـود مثـل Na+
نیروهاي دافعه قوي بوده و چنانچه کاتیون جذب شده بـه شـدت یـونیزه نگـردد (مثـل Ca2+ و (H+ نیروهـاي دافعـه ضـعیف خواهند شد. بنابراین با جایگزینی یون سدیم به جاي کلسیم و افزایش غلظت کاتیونهاي سدیم میزان تورم هم افـزایش مـی-
یابد. البته این افزایش اندیس تورم تا جایی ادامه دارد که حالت اشباع از کاتیونهاي سدیم به وجود نیاید. شکل 4 اثر دما بـر میزان جذب متیلن آبی در زمان ثابت و غلظت ثابت کربنات سدیم را نشان میدهد. با توجه به نمودار با افـزایش دمـا میـزان جذب متیلن آبی کاهش مییابد. با حرارت دادن مونت موریلونیت حرکت یون Al از موقعیتهاي داخل شـبکهاي بـه موقعیـت-
هاي تعویضی (بین لایهاي) آسانتر میشـود. گـسترش یـونهـاي Al روي موقعیـتهـاي تعویـضی، CEC1 رسهـاي مونـت موریلونیتی را کم میکند. که علت آن آسیبپذیر شدن شبکه مونت موریلونیت و همچنـین پـر شـدن موقعیـتهـاي تعویـضی توسط Al میباشد. شکل 5 تاثیر زمان بر میزان جذب متیلن آبی را دردماي ثابت و غلظت کربنات سدیم ثابت نشان میدهـد.
با توجه به نمودار با افزایش زمان میزان جذب متیلن آبی کاهش مییابد. شکل6 اثر غلظت کربنات سدیم بر میزان جذب متیلن آبی در دماي ثابت و زمان ثابت را نشان میدهد. با توجه به نمودار با افزایش غلطت کربنات سدیم میزان جذب متیلن آبی کم میشود. به صورت طبیعی یک سري جایگزینیهاي ایزومرفیک در بنتونیت اتفاق میافتد و یونهاي Al3+ در ورقـههـاي تتـرا هدرال به وسیله Fe3+ و در ورقههاي اکتا هدرال به وسیله Mg2+ جایگزین شده و بار منفی در سطح بنتونیت ایجاد مـیشـود.
در اثر فعال سازي با کربنات سدیم بار منفی توسط جذب کاتیونها خنثی شده و با افزایش غلظت کربنات سدیم بار منفی کم شده و میزان ظرفیت تعویض کاتیونی که در ارتباط مستقیم با بار منفی است کاهش مییابد لذا میـزان جـذب متـیلن بلـو کـه تخمینی از میزان ظرفیت تعویض کاتیونی است کم میشود. انتخاب نمونه بهینه با کاربرد ویژه چسب قالـب ریختـهگـري بـر اساس بالاترین میزان تورم جذب متیلن آبی که بیانگر میزان بیشتر کانی مونت موریلونیـت و بـالاترین میـزان کـاتیونهـاي تعویضپذیر است صورت میگیرد. اگر در نمودارهاي وابستگی میزان تورم و جذب متیلن آبـی بـه متغیرهـاي مختلـف دمـا، زمان و غلظت کربنات سدیم دقت شود نقطهاي یافت میشود که بالاترین میزان تورم و جذب متیلن آبـی را دارا مـیباشـد و این نقطه مربوط به نمونه شماره 11 میباشد که به عنوان نمونه بهینه معرفی شده و جهت بررسـی بیـشتر تحـت آنالیزهـاي
STA, XRF, XRD و آزمایشات استحکام فشاري تر و خشک جهت مقایسه با نمونه طبیعی قرار میگیرد. الگوي پـراش اشـعه ایکس نمونه خام در شکل 7 نشان داده شده است، همانطور که مشاهده میشود خاك بنتونیـت چـاوش معـدن از کـانیهـاي مونت موریلونیت، بیدلایت، کریستوبالیت، کلسیت و ژیبس تشکیل شده است. مونت موریلونیت و بادلایت هر دو از کانیهـاي گروه مونت موریلونیت بوده لذا کانی اصلی تشکیل دهنده این خاك مونت موري لونیـت اسـت. پیـک 100 مونـت موریلونیـت
کلسیک داراي 2Ө برابر با 5/887 میباشد. با توجه به موقعیت پیکهاي مونت موریلونیت واضح است که مونـت موریلونیـت موجود از نوع کلسیک و بنتونیت مورد آزمایش از نوع کلسیمی میباشد.
شکل -7الگوي پراش اشعه ایکس نمونه خام (غیر فعال)
شکل -8الگوي پراش اشعه ایکس نمونه فعال بهینه
الگوي پراش اشعه ایکس نمونه بهینه در شکل 8 نشان داده شده است. طبق الگـو ایـن نمونـه داراي کـانیهـاي رسـی مونـت موریلونیت و بیدلیت و کانیهاي غیر رسی کریستوبالیت، کوارتز و کلسیت میباشد. در این نمونهها پیـک 100 سـدیم مونـت موریلونیت داراي 2Ө برابر 6/847 است. لذا با توجه به موقعیت در این نمونه میتوان گفت که مونـت موریلونیـت موجـود از نوع سدیک و در نتیجه بنتونیت مورد آزمایش سدیمی است. بنابراین میتوان نتیجـه گرفـت کـه فعـال سـازي باعـث خـروج کاتیونهاي بین لایهاي کلسیم و جایگزین شدن یون سدیم در آنها میشود و موید این مطلب است که عملیات فعالسازي به خوبی انجام شده است. مقایسه الگوي پراش پرتو ایکس در نمونه خام و نمونه فعال نشان میدهد که در جریان فعالسـازي شدت پیک بدلایت کاهش یافته است به طوري که در بعضی از زوایا حذف پیک بدلایت را مشاهده میکنـیم. ایـن موضـوع را میتوان این چنین توجیه کرد که در اثر فعال سازي یونهاي سدیم جایگزین یون آلومینیوم در بدلایت شـده و سـدیم مونـت موریلونیت را ایجاد کرده است. همچنین فعال سازي با کربنات سدیم حذف ژیپسیم را به همراه دارد. کـانی ژیپـسیم در اثـر
