An impact of modifications an Dylągówka clay on the rheological properties of its water suspensions

• Autorzy: Panna Wojciech , Mastalska Joanna , Prewendowski Sebastian , Wójcik Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/gsm.2022.140610

Warianty tytułu

PL

Wpływ modyfikacji surowca ilastego z Dylągówki na właściwości reologiczne jego wodnych zawiesin

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper deals with the effects of modifications to clay-siliceous raw material from Dylągówka (Dynów foothills, SE Poland), which alter the rheological properties of its water suspensions. The investigations were carried out on three samples collected from various depths of the deposit as they considerably differ in their contents of smectite and other minerals. The samples were either modified with soda or activated with sulphuric (VI) acid and used to prepare their water suspensions with various contents of solids. The suspensions were subject to determinations of viscosity and flow curves. Dependencies of three variables of the suspensions (rheological properties, mineral composition of the solid phase, and the modifications introduced) were assessed on the basis of: the contents of the solid phase in the suspensions required to obtain a viscosity of 1000 mPas; hypothetical, calculated thixotropic energy. These show that the amount of solids in the water suspension required to obtain the required viscosity is considerably lower in samples with higher contents of smectite and in those activated with sodium. In turn, the acid activation that partially alters smectite towards a protonated silica gel decreases the viscosity and thixotropy of the suspensions, which was confirmed in the studies of mid-infrared spectroscopy. The conducted studies provide important information needed in designing the mineral composition of drilling fluids and others applications.

PL

W pracy przedstawiono wpływ modyfikacji surowca ilasto-krzemionkowego z Dylągówki (Pogórze Dynowskie, południowo-wschodnia Polska) na właściwości reologiczne jego wodnych zawiesin. Do badań przeznaczono trzy jego próbki pobrane z różnych głębokości złoża różniące się w znacznym stopniu udziałem smektytu i innych minerałów. Próbki te zostały poddane modyfikacji poprzez wprowadzenie sody (5%) i aktywacji kwasem siarkowym (VI). Sporządzono z nich wodne zawiesiny o różnym stężeniu fazy stałej i przeprowadzono na nich badania reologiczne polegające na określeniu krzywych lepkości i krzywych płynięcia. W celu wyznaczenia charakteru zmian we właściwościach reologicznych zawiesin wynikających ze zmiennego składu mineralnego próbek i z wprowadzonych modyfikacji oszacowano zawartość fazy stałej w zawiesinach potrzebnej do uzyskania zadanej lepkości 1000 mPas oraz ich hipotetyczną energię tiksotropową. Przedstawione w pracy rezultaty wskazują, że stężenie fazy stałej w wodzie, wymagane do uzyskania odpowiedniej lepkości, jest znacznie mniejsze dla próbek o wyższym udziale smektytu oraz dla próbek aktywowanych sodowo. Z kolei aktywacja kwasowa wywołująca w surowcu częściowe przejście smektytu w protonowany żel krzemionkowy powoduje zmniejszenie lepkości i tiksotropii zawiesin, co zostało udowodnione na podstawie badań spektroskopowych w środkowej podczerwieni. Przeprowadzone badania mogą być zatem pomocne w projektowaniu składu mineralnego płuczek wiertniczych i innych zastosowań wodnych zawiesin smektytowych.

Słowa kluczowe

EN

smectite water suspensions; rheological properties; clay siliceous rocks; modification of smectites

PL

suspensje wodno smektytowe; właściwości reologiczne; skały ilasto krzemionkowe; modyfikacje smektytu

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2022
• Tom: T. 38, z. 1
• Strony: 137--150
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Panna Wojciech

• University of Applied Sciences in Tarnów, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6591-284X

autor

Mastalska Joanna

• AGH University of Science and Technology, Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5092-5755

autor

Prewendowski Sebastian

• University of Applied Sciences in Tarnów, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2307-5588

autor

Wójcik Łukasz

• AGH University of Science and Technology, Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3366-2038

Bibliografia

• [1] Adams, J.M. and McCabe, R.W. 2006. Clay Minerals as Catalysts. [In:] Bergaya et al. (ed.). Handbook of Clay Science, Elsevier, Amsterdam et al., pp. 541–582.
• [2] Bailey et al. 2014 – Bailey, L., Lekkerkerker, H.N.W. and Maitland, G.C. 2014. Rheology modification of montmorillonite dispersions by colloidal silica. Rheologica Acta 53 pp. 373–384, DOI: 10.1007/s00397-014-0765-3.
• [3] Dolz et al. 2000 – Dolz, M., Gonzalez, F., Delegido, J., Hernandez, M.J. and Pellicer, J. 2000. A time dependent expression for thixotropic areas. Journal of Pharmaceutical Sciences 89(6), pp. 790–797, DOI: 10.1002/(SICI) 1520-6017(200006)89:6<790::AID-JPS11>3.0.CO;2-2.
• [4] Eisenhour, D. and Brown, R.K. 2009. Bentonite and its impact on modern life. Elements 5(2), pp. 83–88, DOI : 10.2113/gselements.5.2.83.
• [5] Ferguson, J. and Kembłowski, Z. 1991. Applied fluid rheology. Elsevier Applied Science, London; New York.
• [6] Frost et al. 2000 – Frost, R.L., Ruan, H., Kloprogge, J.T. and Gates, W.P. 2000. Dehydration and dehydroxylation of nontronites and ferruginous smectite. Thermochimica Acta 346(1–2), pp. 63–72, DOI: 10.1016/S0040-6031(99)00366-4.
• [7] Heller, H. and Keren, R. 2001. Rheology of Na-rich montmorillonite suspension as affected by electrolyte concentration and shear rate. Clays and Clay Minerals 49, pp. 286–291, DOI: 10.1346/CCMN.2001.0490402.
• [8] Keren, R. 1989. Effect of clay charge density and adsorbed ions on the rheology of montmorillonite suspensions. Soil Science Society of America Journal 53(1), pp. 25–29, DOI: 10.2136/sssaj1989.03615995005300010005x.
• [9] Komadel, P. 2003. Chemically modified smectites. Clay Minerals 38(1), pp. 127–138, DOI: 10.1180/0009855033810083.
• [10] Kloprogge et al. 2000 – Kloprogge, J.T., Frost, R.L. and Hickey, L. 2000. Infrared emission spectroscopic study of the dehydroxylation of some hectorites. Thermochimica Acta 345, pp. 145–156; DOI: 10.1016/s0040-6031(99)00359-7.
• [11] Kretser et al. 1998 – Kretser, R.G., Scales, P.J. and Boger, D.V. 1998. Surface chemistry-rheology inter-relationships in clay suspensions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 137, pp. 307–318, DOI: 10.1016/S0927-7757(97)00372-5.
• [12] Laird, D.A. 2006. Influence of layer charge on swelling of smectites. Applied Clay Science 34(1), pp. 74–87, DOI: 10.1016/j.clay.2006.01.009.
• [13] Liang et al. 2010 – Liang, H.N., Long, Z., Zhang, H. and Yang, S.H. 2010. Rheological properties of acid-activated bentonite dispersions. Clays and Clay Minerals 58, pp. 311–317.
• [14] Madejová et al. 1998 – Madejová, J., Bujdák, J., Janek, M. and Komadel, P. 1998. Comparative FT-IR study of structural modifications during acid treatment of dioctahedral smectites and hectorite. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 54(10), pp. 1397–1406, DOI: 10.1016/S1386-1425(98)00040-7.
• [15] Malfoy et al. 2003 – Malfoy, C., Pantet, A., Monnet, P. and Righi, D. 2003. Effects of the nature of exchangeable cation and clay concentration on the rheological properties of smectite suspensions. Clays and Clay Minerals 51(6), pp. 656–663, DOI: 10.1346/CCMN.2003.0510608.
• [16] Murray, H.H. 2007. Applied Clay Mineralogy. Occurrences, processing and application of kaolins, bentonites, palygorskite-sepiolite, and common clays. Elsevier, Amsterdam.
• [17] Niu et al. 2015 – Niu, R., Gong, J., Xu, D., Tang, T. and Sun, Z. 2015. Relationship between structures and rheological properties of plate-like particle suspensions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 470, pp. 22–30, DOI: 10.1016/j.colsurfa.2015.01.055.
• [18] Panna et al. 2014 – Panna, W., Wyszomirski, P. and Myszka, R. 2014. Characteristics of the clayey-siliceous rock from the Dylągówka–Zapady deposit (Polish flysch Carpathians) as a mineral raw materials (Charakterystyka surowcowa kopaliny ilasto-krzemionkowej ze złoża Dylągówka–Zapady (polskie Karpaty fliszowe)). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Manageament 30(2), pp. 85–101, DOI: 10.2478/gospo-2014-0012 (in Polish).
• [19] Panna et al. 2015 – Panna, W., Wyszomirski, P. and Szumera, M. 2015. Swelling pressure of natural and modified smectite-bearing clay raw materials. Physicochemical Problems of Mineral Processing 51(1), pp. 127–135, DOI: 10.5277/ppmp150112.
• [20] Panna et al. 2016 – Panna, W., Szumera, M. and Wyszomirski, P. 2016. The impact of modifications of the smectite-bearing raw materials on their thermal expansion ability. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 123(2), pp. 1153–1161, DOI: 10.1007/s10973-015-5023-0.
• [21] Penner, D. and Lagaly, G. 2001. Influence of anions on the rheological properties of clay mineral dispersions. Applied Clay Science 19, pp. 131 –142, DOI: 10.1016/S0169-1317(01)00052-7.
• [22] Pentrák et al. 2012 – Pentrák, M., Czímerová, A., Madejová, J. and Komadel, P. 2012. Changes in layer charge of clay minerals upon acid treatment as obtained from their interactions with methylene blue. Applied Clay Science 55, pp. 100–107, DOI: 10.1016/j.clay.2011.10.012.
• [23] Permien, T. and Lagaly, G. 1995. The rheological and colloidal properties of bentonite dispersions in the presence of organic compounds V. Bentonite and sodium montmorillonite and surfactants. Clays and Clay Minerals 43(2), pp. 229–236, DOI: 10.1346/CCMN.1995.0430210.
• [24] Perret et al. 1996 – Perret D., Locat J., Martignoni P. 1996. Thixotropic behavior during shear of a fine-grained mud from Eastern Canada. Engineering Geology 43(1), pp. 31–44.
• [25] Stempkowska et al. 2007 – Stempkowska, A., Izak, P., Gortel, E. and Kochanowski, A. 2007. Rheological properties of ceramics gel from non-ionic monomers (Właściwości reologiczne ceramicznych zawiesin żelowych na bazie monomerów niejonowych). Szkło i Ceramika 58(3), pp. 27–30 (in Polish).
• [26] Tombácz et al. 1989 – Tombácz, E., Balázs, J., Lakatos, J. and Szántó, F. 1989. Influence of the exchangeable cations on stability and rheological properties of montmorillonite suspensions. Colloid and Polymer Science 267, pp. 1016–1025.
• [27] Wyszomirski, P. and Lewicka, E. 2005. Bentonite as a versatile industrial mineral for different markets (Bentonity jako uniwersalny surowiec wielu dziedzin przemysłu). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 21(3), pp. 5–19 (in Polish).
• [28] Yorukoglu, A. 2012. Influence of acid activation on the ion-exchange properties of Manisa-Gordes clinoptilolite. Physicochemical Problems of Mineral Processing 48(2), pp. 591–598.