دانلود پایان نامه درباره مواد معدنی، رنگین کمان

دانلود پایان نامه ارشد

م Mg2+ برای خنثی کردن 6 یون OH- لازم است ]16[. به دلیل تفاوت ساختاری انواع کانیهای رسی لازم است که ابتدا انواع آنها در یک نمونه خاک مورد بررسی قرار گیرد تا با قطعیت بیشتری راجع به فرآیندهای جذب و تثبیت فلزات بر روی آنها اظهار نظر کرد. به منظور شناسایی نیمه کمی46 کانیهای رسی میتوان از تجزیههای پراش پرتو ایکس47 یا XRD استفاده نمود ]15[.
کانی شناسی از طریق روش XRD
پراش پرتو X سالهای زیادی است برای تعیین کانیشناسی بر اساس فاصله پایه بین کانیهای رسی، استفاده میشود ]17[ و ]18[. پرتو X، اشعه الکترومغناطیسی با طول موجی در حدود یک آنگستروم است که تقریباً به اندازه یک اتم است. این اشعهها در بخشی از طیف الکترومغناطیسی، بین اشعه گاما و فرابنفش (ماورائ بنفش) قرار دارند. پراش پرتو X در دو حوزه اصلی کاربرد دارد: خصوصیات مواد کریستالی و تعیین ساختار آنها. هر جامد بلورین خصوصیات منحصر به فرد پرتو X نمونه پودری خود را دارد که مانند یک اثر انگشت برای شناسایی آن استفاده میشود. هنگامی که ماده شناسایی شد، ممکن است برای تعیین ساختار آن، مثلاً بستهبندی اتمی در حالت بلورین و فاصله و زاویه بین اتمی، از کریستالوگرافی پرتو X استفاده شود. پراش پرتو X روشی معمول در کانی شناسی، بخصوص برای مطالعه مواد ریزدانه است. این روش یکی از تکنیکهای اولیه کانی شناسان و شیمیدانهای حالت جامد برای بررسی ترکیب فیزیکوشیمیایی جامدهای ناشناخته است. XRD میتواند اطلاعات اضافی فراتر از شناسایی ابتدایی فراهم نماید. اگر نمونه مخلوط شده48 باشد، دادههای XRD میتوانند برای تعیین نسبت درصد کانیهای مختلف آن، تجزیه و تحلیل شوند. اطلاعات دیگر بدست آمده میتواند شامل درجه بلورشدگی کانیهای حاضر، امکان انحراف کانیها از ترکیبات ایدهآلشان (وجود جایگزینی عناصر و محلول جامد)، حالت ساختاری کانیها و درجه هیدراته شدن برای کانیهایی که در ساختار خود آب دارند، باشد. ساختار سه بعدی مواد بلوری (غیر بیشکل49)، از قبیل کانیها، با تکرار طرح اتمهایی که به شکل شبکه بلوری هستند، تعریف میشود. وقتی که پرتو X به این طرحهای اتمی برخورد میکند، بخشی از آن منتقل شده، قسمتی از آن توسط نمونه جذب شده و بخش دیگر شکسته و پراکنده میشود و بخشی از آن پراشیده میشود. پراش پرتو X توسط یک جامد بلورین مانند پراش نور توسط قطرات آب و تولید رنگین کمان است. پرتو X پراشیده شده توسط هر کانی، بسته به آرایش اتمی و چیدمان اتمها در شبکه بلوری، متفاوت از دیگر کانیهاست. هنگامی که پرتو X به یک نمونه برخورد میکند و پراشیده میشود، فاصله بین چیدمان اتمهایی که در ترکیب نمونه هستند با استفاده از قانون براگ که در معادله 2-1 نشان داده شده اندازهگیری میشود.
معادله ‏21
nλ=2d sin⁡θ
در معادله فوق، عدد n تعداد پرتو پراشیده شده، λ طول موج تابع پرتو X، d فاصله میان صفحات مجاور اتمها وθ زاویه تابع پرتو X است. با دانستن λ و اندازهگیری θ، فاصله d میتواند محاسبه شود ]15[. عدد n را مرتبه بازتاب نیز گویند؛ که مقادیر 1، 2، 3 و غیره را به خود اختصاص میدهد. به عنوان مثال بازتاب از صفحه قاعدهای 001 ، به عنوان بازتاب 001 شناخته شده یا گفته میشود که پراش از مرتبه اول است ]16[. مجموعه خصوصیات فاصله d تولید شده در یک اسکن معمولی پرتو X، اثر انگشت منحصر به فردی از کانیها یا مواد معدنی موجود در نمونه فراهم میکند. وقتی که توسط مقایسه کردن با الگوها و مراجع استاندارد، تفسیر به درستی صورت گیرد، با این اثر انگشت میتوان مواد را شناسایی کرد. یک طیف سنجی معمولی بر پایه XRD در شکل 2-7 که مقدار θ یا θ2 ترکیب کانیها در نمونه را تعیین میکند، نشان داده شده است ]15[.

شکل ‏27: اصول طیف سنجی XRD ]15[
طبق پراشنگاره50های مربوط به پراش پرتو X نمونه خاک رسی منطقه مورد مطالعه، رسهای ایلیت51، اسمکتیت، کائولینیت52 و کلریت غالب بودند که تنها به شرح خصوصیات رسهای مذکور، در این پایاننامه پرداخته میشود.
کائولینیت
کائولینیت فراوانترین کائولین دیاکتاهدرال است. لایهها توسط اشتراک یونهای O-2 بین ورقه اکتاهدرال (آلومینیم دار) و تتراهدرال که در شکل 2-7 نشان داده شده است، به یکدیگر متصل شدهاند. همان طور که در این شکل دیده میشود، گروه کانیایی کائولین با داشتن ضخامت لایه 72/0 نانومتر شناخته شده هستند. ساختار ایدهآل کانی کائولینیت، عدم تعادل بار یونی53 را ایجاد نمیکند (شکل2-8)؛ بنابراین کاتیونها در فضای بینلایهای آنها تغییر ایجاد نمیکنند ]15[. بدین معنا که جانشینی همشکل در این گروه محدود است و در نتیجه آن، ظرفیت تبادل کاتیونی بسیار پایین است. کائولینیت، اتیلنگلیکول (معیار جهانی اندازهگیری قابلیت انبساط رس) را جذب نمیکند ]19[.

شکل ‏28: طرح هندسی از ساختار لایه کائولینیت ]20[

شکل ‏29: چگونگی توزیع بار در لایه کائولینیت ]21[
اسمکتیت
بر اساس تعریف، اسمکتیتها کانیهای رسی هستند که هنگام قرارگیری در معرض اتیلنگلیکول، فاصلهبندی قاعدهای آنها به 17 آنگستروم افزایش مییابد ]19[. اسمکتیت زیرگروه دیاکتاهدرال رسهای 2:1 اسمکتیت-ساپونیت54 است. مونتموریلونیت55، بیدلیت و نانترونیت، نماینده اسمکتیتهای دیاکتاهدرال میباشند. در مونتموریلونیت، Si4+ کاتیون ورقه تتراهدرال و Al3+، Fe2+ و Mg2+ کاتیونهای ورقه اکتاهدرال میباشند. در این کانی خالص بار منفی 33/0- بوده که به وسیله کاتیونهای تبادلی خنثی میشود ]16[. در فضای بین لایهای مونتموریلونیت، یونها آبدار هستند. اگر کاتیون بینلایهای بیشتر از نوع Na باشد، کانی، مونتموریلونیت سدیم بوده و عموماً یک لایه آب در موقعیت بینلایهای وجود دارد. اگر Ca کاتیون غالب باشد، مونتموریلونیت از نوع کلسیمی بوده و عموماً دو لایه آب در موضع بینلایهای وجود دارد. تفاوت در تعداد لایههای آب، به تفاوت در فاصله پایهای منجر میشود (4/15 آنگستروم برای مونتموریلونیت کلسیمی و 6/12 آنگستروم برای مونتموریلونیت سدیمی). در طراحی لندفیلهای مهندسی- بهداشتی نیز از عکسالعمل رس در برابر تغییر مقدار آب استفاده شده است. در این سیستمها، از یک لایه مونتموریلونیت سدیم به عنوان یکی از لایههای ناتراوا استفاده میشود. اگر آب زیرزمینی به محل نفوذ کرده و به سد ناتراوا وارد شود، با لایه رسی برخورد کرده، باعث انبساط کانی شده و یک سد ناتراوا تشکیل میشود. در مونتموریلونیت، کاتیونهای بینلایهای به آسانی تبادلپذیر بوده و این امر منجر به بالا بودن ظرفیت تبادل کاتیونی در آن میشود ]8[.
ایلیت
ایلیت از گروه رسهای 2:1 بوده که لایه اکتاهدرال آن دارای Al3+ است. همچنین Al3+ در لایه چهاروجهی جانشین Si4+ میشود. این جانشینی با اضافهشدن یونهای K+ در بین ورقههای 2:1، موازنه بار میشود. تعداد زیاد کاتیونهای K+ در فضای بینلایهای پیوندی قوی بین ورقهها ایجاد میکند. این کاتیونها به آسانی تبادلپذیر نیستند. بنابراین ایلیت ظرفیت تبادل کاتیونی پایینی داشته و یک رس قابل انبساط نیست. ایلیت دارای بار لایهای تقریباً 8/0 به ازای واحد فرمولی نیمسلول است که این مقدار در حد واسط بین اسمکتیت و میکا قرار میگیرد. در ایلیت با آنکه K+ یون بین لایهای غالب است ولی به همراه آن یونهای دو ظرفیتی از قبیل Ca2+ و Mg2+ و نیز NH4+ میتوانند وجود داشته باشند ]16[.
کلریت
اغلب از کلریتها به عنوان رسهای 2:1:1 یاد میشود، زیرا آنها رسهای 2:1 با یک ورقه هیدروکسید بینلایهای شبهگیبسیت56 [Al(OH)x] یا شبهبروسیت57 [Mg(OH)x] (x کوچکتر از3) میباشند. این ورقه دارای همآرایی هشتوجهی بوده و به طور پیوسته در سرتاسر فضای بین لایهای قرار گرفته است. ورقه هیدروکسید بین لایهای دارای بار مثبت است، زیرا به ازای هر Al3+ کمتر از سه OH- وجود دارد. این ورقه بینلایهای به طور الکترواستاتیکی به قسمت 2:1 رس پیوند میشود. ورقه تتراهدرال نیز از طریق پیوند هیدروژنی با ورقه هیدروکسید بینلایهای پیوند برقرار میکند. در کلریتها هر دو ورقه اکتاهدرال، یعنی ورقه اکتاهدرال متعلق به لایه 2:1 و ورقه اکتاهدرال هیدروکسید بینلایهای، میتوانند تریاکتاهدرال باشند؛ که در این صورت به آنها کلریتهای تری-تریاکتاهدرال58 گفته میشود. کلریتهایی که لایه 2:1 آنها دیاکتاهدرال بوده و در ورقه هیدروکسید بینلایهای تریاکتاهدرال هستند، دی-تریاکتاهدرال59 نامیده میشوند ]16[.
توانایی جایگزینی یونی60
کاتیونهای تبادلی وقتی که با آب و یا محلول مایع دیگر مخلوط میشوند، هیدراته شده و به آسانی توسط دیگر کاتیونهایی که قابلیت جابجایی بیشتری دارند، دفع میشوند. عمدتاً ظرفیت جایگزینی به والانس (ظرفیت)، فراوانی نسبی یونهای مختلف در محلول، قابلیت تبادل لایه سیلیکاتی و اندازه یون هیدراته بستگی دارد. همان طور که در مقالات ژئوشیمی و کانیشناسی خاک گزارش شده است، کاتیون دارای ظرفیت بالا با کاتیون دارای ظرفیت پایینتر جابجا شده و کاتیون هیدراته کوچکتر یا کاتیونهای دارای شعاع یونی بزرگتر با کاتیونهای هیدراته بزرگتر یا کاتیونهای با شعاع یونی کوچکتر با همان ظرفیت که در مکانهای تبادل حضور دارند، جابجا می شوند ]15[.
ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC)61
بخش عمدهای از CEC خاک، مربوط به کانیهای رس ثانویه و بخش دیگر آن مربوط به مواد آلی خاک میباشد. CEC کانیهای ثانویه در نگهداری گونههای شیمیایی آلی و غیر آلی اهمیت بسزایی دارد. کاتیونها، به منظور حفظ بار الکتریکی خنثی ذرات، در بین ورقهها، روی سطوح و در لبههای ذرات، جذب و نگهداری میشوند. به کاتیونهایی که تحت شرایط زیستمحیطی و فازی مختلف، قابل تبادل بوده و به آسانی برای جابجایی توسط کاتیونهای مشابه یا انواع دیگر، در دسترس هستند؛ در اصطلاح ظرفیت تبادل کاتیونی رسها گفته میشود. ظرفیت تبادل کاتیونی به عنوان مقدار کاتیونهای جذب شده برگشتپذیر توسط ذرات رس، که بصورت میلیاکیوالان در 100 گرم کانی رسی خشک بیان میشود، تعریف شده است. همان طور که در جدول 2-3 نشان داده شده، ظرفیتهای تبادل کاتیونی کانیهای مونتموریلونیت و ورمیکولیت به سبب جایگزینی همشکل بسیار بالایی که در لایههای هشتوجهی و چهاروجهی این کانیها وجود دارد، در میان دیگر کانیهای رسی بسیار بیشتر است ]15[. CEC اندازهگیری شده برای کائولینیت، بسته به میزان ناخالصیهای این رس و pHی که در آن اندازهگیری CEC انجام میگیرد، متغیر است. CEC اندازهگیری شده برای ورمیکولیت دیاکتاهدرال نیز اغلب تحت تأثیر وجود Al(OH)x در فواصل بین لایهای است. به همین دلیل اغلب مانع از تبادل کاتیونها در فواصل بین لایهای شده و در نتیجه CEC اندازهگیری شده، کمتر از آنچه بر مبنای بار لایهای پیشبینی میشود، میباشد.
جدول ‏23: خصوصیات برخی از کانیهای رسی ]15[
کانی
پیوند بین لایهای
فاصله پایه
(A˚)
سطح ویژه
(m2/gm)
ظرفیت تبادل کاتیونی
(mEq/100g)
کائولینیت
هیدروژنی قوی
2/7
20-10
15-3
مونتموریلونیت
O-O بسیار ضعیف
6/9
840-700
150-80
ایلیت
یونهای K قوی
10
100-65
40-10
ورمیکولیت
ضعیف
14-5/10
870
150-100
کلریت
قوی
14

40-10
در ورمیکولیتهای تریاکتاهدرال، کاتیونهای بینلایهای معمولاً Ca2+ و Mg2+ بوده و هیچگونه محدودیتی برای کامل شدن تبادل یونی وجود ندارد. ورقه بینلایهای هیدروکسیدهای آلومینیم یا منیزیم کانی کلریت، دارای بار مثبت بوده و مقداری از بار منفی را خنثی میکند. این ورقه بینلایهای همچنین مانع تبادل کاتیونها میگردد. هر دو این عوامل سبب میشوند که CEC اندازهگیری شده برای کلریت کمتر از آنچه بر مبنای بار لایهای پیشبینی میشود، باشد ]16[.
مکانیسم فعل و انفعالات
مکانیسمهای زیر برای فعل و انفعالات مابین آب و رس امکان پذیر است:
پیوند هیدروژنی: همان طور که در شکل 2-10 قسمت (الف) نشان داده شده است، به دلیل اینکه سطوح کانیهای رسی از یونهای اکسیژن یا هیدروکسیل تشکیل شدهاند، پیوند هیدروژنی با جذب اکسیژن گوشههای مثبت (+H) از مولکولهای آب و جذب هیدروکسیل از بخش منفی (-O)، توسعه مییابد. با فاصله گرفتن از سطح ذرات رس، به دلیل میدانهای نیروی سطحی و نیز افزایش میدانهای نیروی ساختار آب،

پایان نامه
Previous Entries دانلود پایان نامه درباره هیدرولیک، نفوذپذیری، آبهای زیرزمینی، آذربایجان غربی Next Entries دانلود پایان نامه درباره مواد غذایی، ظرفیت جذب، دینامیکی، دو قطبی