Глини - це надзвичайний природний матеріал з незбагненими ще повністю можливостями. Між собою вони відрізняються, хоча всі глинисті мінерали - це алюмосилікати. І ще, глини - продукти вивітрювання гірських порід. Каолін, наприклад (тут правильніше говорити про мінерал каолініт), утворюється з ортоклази під дією води і вуглекислоти. Разом з каоліном утворюються поташ і кварц. Перший легко вимивається водою, а суміш каоліну і кварцу - суміш глини і піску - утворює суглинок.
Формулу каоліну пишуть як сукупність трьох оксидів: Al2O3•2SiO2•2H2O. Як бачимо, головні складові каоліну - глинозем Al2O3 і кремнезем SiO2. Втім, це справедливо і для будь-якого іншого глинистого мінералу - вермикуліту, галуазиту, палигорськіту, монтморилоніту і багатьох-багатьох інших.
Зауважимо відразу ж, що в будь-якому глинистому мінералі частина атомів кисню заміщена гідроксильними групами, а місце алюмінію в кристалічній решітці нерідко займають залізо, магній і інші метали. Саме домішка заліза надає звичайній глині бурий колір.
Поширена думка, що глина - речовина аморфна, однак це невірно. Всі глинисті мінерали - кристалічні, дрібнодисперсні. Кристали цих мінералів, як правило, бувають не більш 0,01 мм в довжину. Така дисперсність свідчить про сильно розвинені поверхні; цим, зокрема, пояснюється можливість застосування багатьох глин як адсорбенту. Так, сумарна площа частинок, укладених в одному грамі глинистого мінералу монтморилоніту або вермикуліту, досягає декількох сотень квадратних метрів.
Ще одна важлива для практики і загальне для всіх глинистих мінералів властивість - пластичність в мокрому вигляді. Воно пов'язане з гідрофільністю - здатністю змочуватися водою, притягувати полярні молекули води.
І ще, всі глинисті мінерали шаруваті. За співвідношенням двох головних складових - глинозему і кремнезему - кристаллохіміки поділяють їх на дві групи. Якщо на один шар кремнекисневих тетраедрів доводиться один же шар алюмокисневих октаедрів, кажуть про тип решітки 1:1. Сюди відносяться, зокрема, каолініт і галуазит. У групі ж монтморилонітових глинистих мінералів, що складають бентонітові глини, на два тетраедричних кремневмісних шари доводиться один октаедричний, що містить алюміній. Це тип 1:2.
Дещо осібно стоїть вельми цікавий для практики глинистий мінерал палигорськіт, багаті родовища якого є на Україні. У цього мінералу шарувато-стрічкова структура. Кремнекисневі тетраедри утворюють своєрідні стрічки або ланцюги. Вершини тетраедрів з сусідніх ланцюгів повернені в протилежні сторони. А під мікроскопом частки палигорськіту виглядають як подовжені голчасті бруски з каналами всередині.
Пояснювати причини структурного розмаїття глинистих мінералів на словах - заняття надзвичайно невдячне. Відзначимо тільки, що для практики однаково важливі і співвідношення шарів, і їх взаємне розташування. Наприклад, в каолініті і галуазиті кремнеземні і глиноземні шари чергуються (тип 1:1), домішки теж можуть бути однаковими, а властивості цих мінералів різні. Оригінальну трубчасту структуру галуазиту створює зсув почергових шарів. Утворені мікроскопічні канали дозволяють використовувати цей глинистий мінерал для відділення речовин, молекули яких менше діаметра «труб», від більших.
Природні адсорбенти
Більшість глин - прекрасні адсорбенти. Про одну з причин цього - розвинену поверхню дисперсних мінералів - вже говорилося. Але є й інша причина, теж фізико-хімічна. На поверхні глин є активні центри адсорбції - гідроксильні групи, атоми кисню і деяких інших хімічних елементів, що сприяє адсорбції як полярних, так і неполярних молекул.
Адсорбційні властивості природних глин можна посилити. Обробка глинистих мінералів 10-25% сірчаною кислотою призводить до утворення високодисперсного аморфного кремнезему, теж дуже хорошого адсорбенту. Під дією кислоти розчиняється частина вмістного в глині окису алюмінію, а також оксидів дво- і тривалентного заліза, магнію, деяких інших домішок. У згадуваному вже вермикуліті питома поверхня мінералу після кислотної активації зростає з 10-20 м2/г до 500-600!
Дослідження, проведені в лабораторії Інституту колоїдної хімії та хімії води, показали, що на основі глинистих мінералів можна готувати адсорбенти, які з успіхом замінять застосовуються зараз в промисловості, але значно дорожчі синтетичні алюмосилікогелі. Адсорбенти з активованою глини можуть і повинні знайти застосування при крекінгу нафти, гідрогенізації жирів, очищенню олій, вин, продуктів цукроваріння.
Природні адсорбенти - монтморилонітові і палигорськітові глини - вже застосовуються в промисловості. З їх допомогою відмінно очищають природний газ від вологи і конденсату.
Природні іоніти
В другій половині минулого століття в газетах і журналах дуже багато і захоплено писали про іоніти, полімерні штучні матеріали, здатних утримувати одні іони, віддаючи натомість інші. Зараз іонітами вже нікого не здивуєш. Іонообмінні колони і мембрани працюють на багатьох виробництвах.
Але ця ж корисна якість - здатність до іонного обміну - з усіх природних неорганічних речовин є тільки у глинистих мінералів. Навіть основні елементи їх структури (кремній, алюміній, магній) можуть бути заміщені іншими іонами. Іонами нижчої валентності. При цьому баланс зарядів в мінеральній частинці порушується, і вона стає негативним макроіоном. Коли таку глину занурюють у водний розчин, що містить електроліт, відбувається компенсація відсутніх зарядів - еквівалентний обмін одних іонів на інші. Як в іонітах!
Між іншим, це чудова властивість глин споконвіку використовується в природі, точніше, в ґрунті для живлення рослин.
Іоніти з глини використовуються і в техніці - в ливарній справі, при глибинному бурінні, для очищення води.
Властивості деяких глинистих мінералів можна модифікувати, замінюючи частину неорганічних катіонів на органічні. При цьому різко змінюється хімічна природа поверхні: з гідрофільної вона перетворюється в органофільну, що притягає молекули певних органічних речовин. Великі органічні катіони, розсуваючи сусідні групи частинок (пакети), роблять цю поверхню доступною для неполярних аліфатичних вуглеводнів, азоту, кисню.
Підбираючи різні за розмірами органічні катіони, можна регулювати відстані в міжпакетному просторі монтморилоніту, по суті справи перетворюючи його в молекулярні сита. Тут іонний обмін дозволив поліпшити адсорбційні властивості самих глин.
Ліки з глини
Фармацевти давно використовують глину (перш за все білу глину - каолін) для приготування паст, мазей, таблеток, пігулок. Роль глини тут подвійна. З одного боку, вона біологічно нейтральна, і важко знайти кращу основу для лікарського препарату. З іншого боку, і в живому організмі глина може працювати як сорбент, бути активним поглиначом шкідливих речовин.
Ще в давнину медики прописували глину в якості протиотрути і як зовнішнє. Зараз близько 80% всіх лікарських препаратів випускаються у вигляді таблеток. Основний по вазі компонент будь-якої таблетки - глина: каолін, бентоніт, палигорськіт.
Глинисті розчини
Тут мова піде не про зв’язуюче для будівництва, а про бурові розчинах. Ці розчини зміцнюють і ізолюють стовбур свердловини, охолоджують бур, виносять на поверхню крупиці розбуреної породи. Власне, це не розчини, а суспензії. Вони повинні бути стійкі і пластичні.
Щоб надати глинистим суспензіям більшу пластичність, мінерал переводять в натрієву форму. Найкращими структурно-механічними характеристиками володіють натрій-бентонітові суспензії.
Але в складних геологічних умовах, коли свердловина проходить через соленосні товщі осадових порід, натрій-бентонітові бурові розчини втрачають сталість властивостей. Іони натрію легко обмінюються на вмисні в товщі інші іони, найчастіше кальцію і магнію. Правильна просторова структура суспензії руйнується. Щоб цього не сталося, в бурові розчини додають рисовий крохмаль, карбоксиметилцеллюлозу, поверхнево-активні речовини. Це допомагає зберегти структуру, але і здорожує буріння, ускладнює приготування суспензій...
Виручила знову-таки глина, глинистий мінерал палигорськіт. У тій же лабораторії доведено, що в іонообмінному комплексі палигорськіту заміщення одних катіонів іншими менше позначається на фізико-хімічні властивості бурових розчинів, ніж при використанні інших глин. На основі палигорськіту були приготовлені солестійкі глинисті суспензії. Практика буріння підтвердила їх високу стійкість до коагулюючої дії електролітів. Більш того, виявилося, на них майже не впливають підвищені температури.
Пора звернути увагу на глину
Не будемо говорити про будівельні матеріали на основі глин. Глина сповна вгамувала творчу пристрасть людини, перетворюючись в кераміку і цеглу, фарфор і фаянс, вогнетриви і алюміній. Вона стала своєрідним мірилом прогресу. Відоме висловлювання, що належить відомому американському геологу: «Середнє споживання глини на людину є показник розвитку культури в країні».
І все ж, думається, тільки зараз ми починаємо розуміти справжню цінність цього чудового речовини. «Тільки тепер ми почали думати про глину ... влаштували особливі наукові інститути для вивчення глини; почали цінувати і вміло використовувати найрізноманітніші глинисті продукти нашої землі. Одне з найбільших, мало використаних багатств нашої країни починає прокидатися до свого великого майбутнього». Ці слова О.Є.Ферсмана, сказані ще більше півстоліття назад, так і залишились, на жаль, непочутими.
Глинистих мінералів в земній корі дуже багато - 270 мільйонів кубічних кілометрів. І створюючи нові штучні матеріали, ми не можемо забувати про матеріали, створених природою, про те, що їх можливості далеко не вичерпані. Сучасне матеріалознавство все ж таки інколи звертається до природних глинистих мінералів, намагаючись використовувати їх краще, повніше і, якщо хочете, розумніше.
