Блог

Ильичёва О.М., Власов В.В.
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КИЗЕЛЬГУРА

Кизельгур получается из диатомита пережиганием при температуре от 800˚С до 1000˚С в виде серовато-белого порошка, который состоит преимущественно из диоксида кремния (кремнезёма) и может содержать 60 и более процентов кристобалита. Кизельгур обладает большой пористостью, способностью к адсорбции, низкой тепло- и звукопроводностью, тугоплавкостью и кислотостойкостью. Способность кизельгура легко растворяться в щелочах используется для производства жидких стекол, представляющих собой растворимые силикаты. В смеси с глиной кизельгур используют для получения легковесных керамических изделий [Дистанов, 1976].

Кремнезем в кизельгуре представлен сочетанием нескольких полиморфных модификаций. Рентгеновские методы исследования позволяют выявить различные полиморфные модификации кремнезема и определить их количественное соотношение. Однако использование рентгенографического метода для исследования природных образцов с наличием кремнистой фазы опал-кристобалит-тридимит в ряде случаев бывает затруднительным из-за наложения основных рефлексов составляющих. Разрешить такие затруднения можно применением метода полнопрофильного анализа (метод Ритвелда). Этот метод позволяет уточнять и структурные особенности фаз. Достоверные результаты профильного метода обусловлены в первую очередь тем, что расчет и уточнение производится для каждой точки профиля рентгенограммы одновременно и любые изменения параметров автоматически сказываются на всем профиле дифракционной картины. Для точного описания дифракционной картины существует ряд профильных функций, правильный выбор которых улучшает качество аппроксимации [Пущаровский, 2000]. В настоящее время метод Ритвелда получил широкое распространение ввиду бурного развития информационных технологий и разработки нового программного обеспечения.

В данной работе представлены результаты расчета соотношений опал-кристобалит и кристобалит-тридимит по рентгенографическим данным исследования порошков кизельгура. Для построения дифрактограмм и уточнения структурных характеристик были использованы специальные программы: PowderCell (PCW) – для интуитивной генерации начальных моделей структур и TOPAS – для уточнения структуры и количественного анализа минеральных фаз по дифракционной картине.

Исходные дифрактограммы образцов, представленые на рис.1, были получены на порошковом дифрактометре  D8 Advance в стандартном режиме с использованием монохроматизированного медного излучения. Исследуемые образцы кизельгура представляют собой смесь полиморфных модификаций кремнезема – разупорядоченного опала, кристаллических кристобалита и тридимита.

Принято считать, что в структурном плане опал подобен кристобалиту, атомы которого заселены в соответствии с пространственной группой Р4₁2₁2 [Дэна, 1966]. Четыре атома кремния в такой структуре занимают позиции при u=0.3: (u,u,0); (-u, -u, 0.5); (0.5-u, 0.5+u, 0,25); (½+u, ½-u, 0,75). Восемь атомов кислорода занимают (x, y, z); (x, y, -z); (-x, -y-, 0.5-z); (-x, -y-, z+0.5); (x+0.5, 0.5-y, z+0.25); (0.5-x, y+0.5, z+0.75); (0.5-x, y+0.5, 0.25-z); (x+0.5, 0.5-y, 0.75-z) при xyz соответственно равных 0.245, 0.10, 0.175. Но опал характеризуется более разупорядоченной структурой.

Мы описали профиль рентгенограммы образца № 1 двумя расчетными кривыми фаз кремнезема с одинаковой пространственной группой и заселенностью атомов. Разница была лишь в задаваемых и уточняемых структурных параметрах. В качестве профильной была использована функция псевдо-Войгта (PV). Результат такой аппроксимации представлен на рис.2 и в таблице 1.

Таблица 1. Рентгеноструктурные параметры образцов кизельгура

Фазовый состав второго образца резко отличается и сложен хорошо раскристаллизованным α-кристобалитом с примесью α-тридимита. Для расчета была выбрана структура кристобалита, аналогичная той, что мы использовали для описания в предыдущем примере. Заселенность атомов тридимита была задана согласно пространственной группе Сс. Так же, как и в первом случае, для описания дифрактограммы применялась профильная функция PV. Структурные параметры уточнялись в ходе расчета.

Сопоставление исходной рентгенограммы кизельгура № 2 с математической моделью приведено на рис.3 и в таблице 1.

Разное количественное соотношение полиморфных модификаций в кизельгуре влияет на технологические свойства и, соответственно, определяет область применения.

В результате проведенных исследований был определен фазовый состав представленных образцов и получены количественные фазовые соотношения, а также были уточнены структурные характеристики слагающих образцы минеральных фаз.

Литература

1. Дистанов У.Г. Кремнистые породы СССР / У.Г. Дистанов. – Казань: Татарское кн. изд-во, 1976. 412 с.
2. Дэна Дж. Система минералогии. Т II. Минералы кремнезема / Дж.Дэна, Э.С.Дэна, К. Фрондель. – М.: Мир, 1966. 430с.
3. Пущаровский Д.Ю. Рентгенография минералов. М.: ЗАО «Геоинфоммарк», 2000.

Рис.1. Обзорные дифрактограммы двух образцов кизельгура (Cu-Kα излучение):

вверху – образец № 1 , внизу – образец № 2.

Рис.2 Описание дифракционного спектра образца кизельгура № 1.

Рис.3. Описание дифракционного спектра образца кизельгура № 2