Шунгит и его характеристики
Олег Викторович Мосин
Русский исследователь воды, биохимик, канд. хим. наук. Член Японского Общества биохимии, биотехнологии и бионауки и других интернациональных академий. Научные интересы — исследование структуры воды, воздействия на воду, изотопные эффекты дейтерия, клеточная адаптация к тяжеленной воде, молекулярная эволюция, биотехнология изотопно-меченых природных соединений. Создатель около 50 научных работ по воде, воздействию на воду разных наружных причин и чистке воды.
Шунгит и его характеристики
Шунгит
Шунгит (по поселку Шуньга, Карелия, РФ) – минерал последнего поколения природных минеральных сорбентов (ПМС), промежный продукт меж бесформенным углеродом и кристаллическим графитом, содержащий углерод (30 масс. %), кварц (45 масс. %) и силикатные слюды (около 20 масс. %). Шунгитовый углерод по последним данным представляет собой закаменевшее вещество органических донных отложений высочайшего уровня карбонизации углерода с одержанием фуллереноподобных постоянных структур от 0,0001 до 0,001 мас.%.
Свое заглавие шунгит получил в 1887 году от поселка Шуньга в Карелии, расположенном на берегу Онежского озера, где находится единственное в Рф Зажогинское месторождение шунгитовых пород. Шунгитные припасы Зажогинского месторождения составляют 35 млн тонн. Производственная мощность предприятия по добыче и переработке шунгита составляет 200 тыс. тонн в год.
Сначало шунгит употреблялся, в главном, в качестве наполнителя и заменителя кокса в доменном производстве высококремнистого литейного чугуна, при выплавке ферросплавов, в производстве термоустойчивых красок и антипригарных покрытий, и как наполнитель резины. Потом обнаружились другие ценные характеристики шунгитовых пород – сорбционные, антибактериальные, каталитические, восстановительные характеристики, также способность шунгита экранировать электрические и радио излучения. Эти характеристики позволили использовать шунгит в разных отраслях науки, индустрии и техники для сотворения на его базе самых разных материалов с наномаолекулярной структурой. На базе шунтита сделаны электропроводные краски, наполнители полимерных материалов и резин, заменители сажи и технического углерода бетоны, кирпичи, штукатурные смеси, асфальты, также экранирующие элекромагнитное и радиоизлучение материалы и материалы, владеющие био активностью. Дискуссируются идеи сотворения фармацевтических носителей на базе шунгита.
Сорбционные, каталитические и восстановительные характеристики шунгита содействовали его использованию в водообработке и в водоочистве для чистки сточных вод от многих неорганических и органических веществ (томные металлы, аммиак, нефтепродукты, пестициды, оксибензолы, поверхностно-активные вещества и др.). Не считая этого, шунгит является действенным сорбентом для чистки водопроводной воды от хлора и хлорорганических веществ (диоксинов, радикалов), обладает антибактериальными качествами по отношению к патогенной микрофлоре в воде.
Шунгитная вода имеет общее оздоравливающее воздействие на организм, удаляет раздражения, зуд, сыпи, восстанавливает сияние волос, эффективна при вегето-сосудистой дистонии, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, печени, камнях в почках. Этой водой вылечивают многие заболевания, в т. ч. дерматологические, аллергические, заболевания суставов и др.
Шунгит необычен по происхождению, структуре входящего в их состав углерода и структуре входящих в его состав пород. Его необычность заключается в структуре и свойствах шунгитового углерода и его отношениях с силикатными компонентами.
Шунгитовый углерод — это закаменевшая древная нефть, либо бесформенный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определённые постоянные структуры, см. ниже) углерод. Его содержание в породе около 30%, а 70% составляют силикатные минералы — кварц, слюды. Не считая углерода в состав шунгита, добываемым из Зажогинского месторождения в Карелии, входят SiO2 (57,0 масс. %), TiO2 (0,2 масс. %), Al2O3 (4,0 масс. %), FeO (0,6 масс. %), Fe2O3 (1,49 масс. %), MgO (1,2 масс. %), MnO (0,15 масс. %), К2О (1,5 масс. %), S (1,2 масс. %) (табл. 1). В продукте, приобретенном при тепловом обжиге шунгита (шунгизит) при 1200-1400 0С,содержатся в маленьких количествах V (0,015 масс. %), B (0,004 масс. %), Ni (0,0085 масс. %), Mo (0,0031 масс. %), Cu (0,0037 масс. %), Zn (0,0067 масс. %), Co (0,00014 масс. %) As (0,00035 масс. %), Cr (0,0072 масс. %), Zn (0,0076 масс. %) и другие элементы (табл. 2).
Таблица 1
Хим состав шунгитов Зажогинского месторождения (Карелия) (масс. %)
№
Хим элемент, компонент
Содержание,
масс. %
1
С
30,0
2
SiO2
57,0
3
TiO2
0,2
4
Al2O3
4,0
5
FeO
0,6
6
Fe2O3
1,49
7
MgO
1,2
8
MnO
0,15
9
CaO
0,3
10
Na2O
0,2
11
K2O
1,5
12
S
1,2
13
H2O
1,7
Физико-химические характеристики шунгита довольно отлично исследованы. Плотность шунгита составляет 2,1-2,4 г/см3; пористость – до 5 %; крепкость на сжатие – 100-120 МПа; коэффициент электропроводности – 1500 См/м; коэффициент теплопроводимости – 3,8 Вт/м . К, адсорбционная емкость до 20 м2/г.
Таблица 2
Хим состав шунгита после термической обработки при 1200…1400 0С
№
Хим элемент, компонент
Содержание,
масс. %
1
С
26,25
2
SiO2
3,45
3
TiO2
0,24
4
Al2O3
3,05
5
FeO
0,32
6
Fe2O3
1,01
7
MgO
0,56
8
MnO
0,12
9
CaO
0,12
10
Na2O
0,36
11
K2O
1,23
12
S
0,37
14
P2O3
0,03
15
Ba
0,32
16
B
0,004
17
V
0,015
18
Co
0,00014
19
Cu
0,0037
20
Mo
0,0031
21
As
0,00035
22
Ni
0,0085
23
Pb
0,0225
24
Sr
0,001
26
Cr
0,0072
26
Zn
0,0067
27
H2O
0,78
28
Утраты при прокаливании
32,78
Шунгиты различаются по составу минеральной базы (алюмосиликатной, кремнистой, карбонатной) и количеству шунгитового углерода. Шунгитовые породы с силикатной минеральной основой разделяются на малоуглеродистые шунгитсодержащие (до 5 масс.% С), среднеуглеродистые шунгитистые (5-25 масс.% С) и высокоуглеродистые шунгитовые (25-80 масс.% С). Сумма (C + SiO2) в шунгитах Зажогинского месторождения находится в границах 83-88 масс.% (рис. 1).
Рис. 1. Рассредотачивание (масс.%) углерода C (сплошная линия) и диоксида кремния SiO2 (пунктирная линия) в рядовых пробах шунгитов из Зажогинского месторождения (Карелия) по данным атомно-эмиссионной спектрофотометрии.
Уникальные характеристики шунгита определяются наноструктурой и составом образующих его частей. Шунгитовый углерод умеренно распределен в силикатном каркасе из мелкодисперстных кристаллов кварца, размерами 1-10 мкм, что доказано исследовательскими работами ультратонких шлифов шунгита способом растровой электрической микроскопии (РЭМ) в поглощенных и обратнорассеянных электронах (рис. 2).
Рис. 2. Структура шунгитовой породы в растровом электрическом микроскопе: Область сканирования – 100 x 100 мкм, разрешение – 0,3 нм, повышение – 500000 раз. Стрелками показаны силикатный каркас из мелкодисперстного кварца, размерами 1-10 мкм и умеренно распределенный углерод.
Фуллерены в первый раз были открыты в 1985 году при лазерном облучении твердого графита. Позднее фуллерено-подобные структуры были обнаружены не только лишь в графите, да и в образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах саже, также в шунгите (0,001 масс. %). Кристалл, образованный молекулами фуллеренов (фуллерит) является молекулярным кристаллом; переходной формой меж органическим и неорганическим веществом. Фуллерит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку размером 1,42 нм, расстоянием меж наиблежайшими соседями – 1 нм и числом ближайших соседей в ГЦК решетке фуллерита, равным 12. При 249 К в фуллерите наблюдается фазовый переход первого рода, при котором ГЦК решетка перебегает в ординарную кубическую с повышением объема фуллерита на 1%. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см3, что несколько меньше плотности и шунгита (2,1-2,4 г/см3) и графита (2,3 г/см 3).
Рис. 3. Нанодифракционная электронограмма углерода шунгита в виде сферических мультислойных фуллереноподобных глобул, поперечником 10-30 нм, приобретенная способом РЭМ. Слева флуоресциирующие фуллереноподобные сферические глобулы; справа – мультислойные фуллереноподобные сферические глобулы с пакетами углеродных слоев, при более высочайшем разрешении.
Соответствующей особенностью структуры фуллеренов будет то, что атомы углерода размещены в верхушках правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность формирующейся графитовой сферы либо эллипсоида и составляют замкнутые полиэдры, состоящие из четного числа трехкоординированных атомов углерода, находящихся в состоянии sp2–гибридизации. Атомы углерода, образующие сферу, связаны меж собой ковалентной С–С связью, длина которой в пятиугольнике – 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм. Молекулы фуллеренов могут содержать 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70 и т.д. атомов углерода (рис. 4). Фуллерены с количеством углеродных атомов n<60 являются неуравновешенными. Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (n<400), образуются в малозначительных количествах и нередко имеют достаточно непростой изомерный состав. В углеродистом веществе шунгитовых пород выявлены фуллерены (С60, С70, С74, С76, С84 и др.), также фуллереноподобные структуры, как обособленные, так и связанные с минералами. Описаны и трубчатые разновидности углеродных фуллереноподобных кластеров – нанотрубки и пленочные формы.
Рис. 4. Разновидности природных и синтетических фуллеренов с разным количеством атомов углерода: С24, С28, С32, С36, С50, С60, С70
Благодаря сетчато-шарообразному строению природные фуллерены и их синтетические производные являются безупречными сорбентами и наполнителями. Толщина сферической оболочки молекулы фуллерена С60 составляет ~0,1 нм с радиусом молекулы – 0,357 нм. Помещая снутри углеродных кластеров различные атомы и молекулы, можно создавать разные материалы и сорбенты с широким диапазоном физико-химических параметров. В текущее время на базе фуллеренов синтезировано более 3 тыщ новых элементорганических соединений. Перспективы развития синтеза фуллеренов связаны с особенностями хим строения молекул фуллеренов – трехмерных аналогов ароматичных структур и наличием огромного числа двойных сопряженных связей и обскурантистских центров на замкнутой углеродной сфере. Владея высочайшей электроотрицательностью, фуллерены выступают в хим реакциях как сильные окислители. Присоединяя к для себя радикалы различной хим природы, фуллерены способны создавать широкий класс хим соединений, владеющих разными физико-химическими качествами. Композиция фуллерена с представителями огромного количества узнаваемых классов веществ открывает для химиков-синтетиков возможность получения бессчетных производных этих соединений.
Фуллеренсодержащие материалы употребляются в современных нанотехнологиях, микроэлектронике, медицине, галлактических и военных разработках, в машинном производстве, в производстве технической продукции, новейших сталей и сплавов, строй, огнеупорных материалов, красок, тонкодисперстных порошков, водоочистке и др. Дискуссируется мысль сотворения фармацевтических носителей на базе водо-растворимых эндоэдральных соединений фуллеренов и фуллеренсодержащих материалов, снутри которых помещен один либо более атомов какого- или элемента с радиоактивными изотопами. Разработаны условия синтеза антивирусных и противораковых препаратов на базе фуллеренов, введение которых в организм позволит избирательно повлиять на пораженные раковой опухолью клеточки, препятствуя их предстоящему размножению. Главным препятствием использования искусственно синтезированных фуллеренов является их высочайшая цена, которая варьирует 100-900 баксов США за гр, зависимо от их свойства и степени чистоты. Потому многообещающим направлением науки и техники является поиск и разработка новых природных фуллерен-содержащих минералов, каким является российский шунгит.
Широкие перспективы использованию шунгита в качестве фильтрующего материала открываются в водоподготовке и чистке воды. Природный шунгит, уступая активированному углю только низкой пористостью и внутренней поверхностью, как сорбент характеризуется рядом положительных черт:
· высочайшей адсорбционной способностью и технологичностью, характеризуемой малым сопротивлением напора воды;
· механической прочностью и малой истираемостью;
· корозионной устойчивостью;
· способностью к сорбции многих веществ, как органических (нефтепродуктов, бензола, оксибензола, пестицидов и др.) так и неорганических (хлор, аммиак, томные металлы);
· каталитической активностью;
· сравнимо низкой ценой;
· экологической чистотой и безопасностью.
По данным исследовательских работ, выполненных во Всероссийском научно-исследовательском институте минерального сырья им. Н.М. Федоровского по эффективности шунгит проигрывает активированному углю на первом шаге фильтрации, в течение первых 24 часов, в предстоящем шунгит начинает очищать воду с более высочайшей и неизменной скоростью. Это разъясняется каталитическими качествами шунгита и способностью каталитически окислять сорбируемые на его поверхности органические вещества из воды.
Исследования антиоксидатных параметров шунгита по отношению к хлорорганическим соединениям и свободным радикалам проявили, что шунгит выводит свободные радикалы из воды в 30 раз эффективнее, чем активированный уголь. Это является очень принципиальным обстоятельством, так как свободные радикалы, образующиеся при обработке воды хлором и его производными, оказывают негативное воздействие на человеческий организм и являются предпосылкой многих болезней (сердечно-сосудистых, онкологических и др.).
Эти перечисленные выше свойства позволяют использовать шунгит в качестве действенного материала сорбционного фильтра для чистки сточных вод от органических и хлорорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, оксибензолов, поверхностно-активных веществ, диоксинов и др). Шунгит абсорбирует на собственной поверхности до 95 % загрязнителей, включая хлорорганические соединения, оксибензолы, диоксины, томные металлы, радионуклиды и др., избавляет мутность и цветность воды и присваивает воде отличные органолептические свойства, сразу насыщая ее микро- и макроэлементами (табл. 3). Адсорбционная активность шунгита по оксибензолу составляет 14 мг/г; по термолизным смолам – 20 мг/г; по нефтепродуктам более – 40 мг/г. В модельных опытах показано, что в воде, содержащей томные металлы (медь, кадмий, ртуть, свинец), бор, оксибензол и бензол в концентрациях в 10…50 раз превосходящих ПДК, после обработки шунгитом в стационарных, или динамических критериях на фильтровальных установках из шунгита, содержание этих загрязнителей понижается ниже установленных нормативными документами уровней. При всем этом в воду не поступают каких-то ядовитых частей из шунгитовых сорбентов.
Таблица 3
Характеристики эффективности минеральных фильтров на базе шунгита
№
Вид загрязнения
Степень чистки, %
1
Железо
95
2
Цинк
80
3
Свинец
85
4
Медь
85
5
Цезий
90
6
Стронций
97
7
Радионуклиды
90
8
Фтор
80
9
Аммиак
90
10
Хлорорганические соединения
85
11
Оксибензолы
90
12
Диоксины
97
13
Яичка гельминтов
90
14
Запах
85
15
Мутность
95
Не считая этого, шунгит благодаря сорбционной активности по отношению к патогенной микрофлоре, имеет выраженные антибактериальные характеристики, что позволяет проводить действенное обеззараживания питьевой воды этим минералом в водоподготовке и водоочистке. Отмечена его антибактериальная активность по отношению к патогенным сапрофитам, и простым. Имеются данные, что после пропускания воды, содержащей пищеварительную палочку, через шунгит наблюдается практически полное ее удаление (коли-индекс меняется от 2300 кл/л до 3 кл/л). Из 1785 кл/л простых (инфузории, коловратки, ракообразные) в начальной воде после обработки шунгитом, наблюдались только единичные экземпляры (5 кл/л). Дополнительно к этим качествам, шунгит обладает био активностью.
Благодаря всем этим перечисленным выше свойствам шунгит можно использовать в подготовке питьевой воды в проточных системах хоть какой производительности промышленного и бытового предназначения, также в колодцах с целью улучшения высококачественных черт воды и для придания воде нужных параметров.
В особенности действенным и технологически оправданным является применение в фильтрующих системах консистенций на базе шунгита с активированным углем либо с цеолитом с вероятной следующей регенерацией сорбентов. При добавлении в систему чистки к шунгиту других природных сорбентов (кремень, доломит, глауконит) очищаемая вода обогащается до физиологически хороших значений кальцием, магнием, кремнием и гидрокарбонатами.
Установлено, что вода, пропущенная через шунгит либо настоянная на шунгите, обладает общим оздоравливающим воздействием на организм, уменьшает раздражения кожи, зуд, аллергические сыпи, эффективна при вегето-сосудистой дистонии и заболеваниях суставов, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, камнях в почках и других заболеваниях.
В Рф фильтры для чистки воды на базе шунгита разрабатываются с 1995 года. На данный момент на рынке российских производителей фильтров имеется ряд больших компаний, которые создают бытовые и промышленные шунгитные фильтры.
Другие области практического внедрения шунгита
Электропроводящие характеристики шунгитовых пород позволяют создавать на их базе новые электропроводные материалы, владеющие радиоэкранирующими и радиопоглощающими качествами (снижать уровни электрических излучений частотой 10-30 ГГц и электронных полей с частотой 50 Гц). Они также позволяют создавать электропроводные краски, бетоны, асфальты, материалы отделки, штукатурные смеси и др. На базе этих материалов разработаны электронагреватели, сделаны новые многообещающие экологически незапятнанные строй материалы и др.
Наличие в шунгите фуллерено-подобных молекул открывает перспективы его предстоящего использования в разных отраслях индустрии – в машиностроении для производства разных минеральных добавок и смазок, в строительстве – в качестве кирпича либо композита в штукатурных консистенциях, при разработке экранирующих помещений, для защиты от воздействия различного рода излучений, в электроснабжении, в виде красок, которые позволяют получать электропроводные поверхности и др. Лимитирующим фактором при всем этом остается очень маленький процент содержания фуллеренов в шунгите (до 0,001 масс. %).
Шунгит, благодаря собственной структуре и многокомпонентным составом образующих его частей обладает и высочайшей активностью в окислительно-восстановительных процессах, широким диапазоном сорбционных и каталитических параметров. Это позволяет отлично использовать этот минерал в разных окислительно-восстановительных процессах: в т.ч. в металлургии, в доменном производстве литейных высококремнистых чугунов (1 тонна шунгита подменяет 1,3 тонны кокса), в производстве ферросплавов, в производстве фосфора, в производстве карбида (SiC) и нитрида (Si3N4) кремния и др.
На базе шунгита создаются препараты, владеющие выраженной био активностью. Применение их в сельском хозяйстве в качестве минеральных добавок содействует понижению кислотности земли и сохранению влажности в 2–2,5 раза подольше, чем на участках без шунгита, что оказывает положительное воздействие на продуктивность продуктивность сельскохозяйственных культур.
При диспергировании шунгитов получаются тонкодисперстные порошки, отлично смешивающиеся с органическими и неорганическими субстанциями. Это свойство шунгитовых порошков позволяет использовать их в качестве темного пигмента красок на различной базе (масляных и аква), заполнителей полимерных материалов (целофана, полипропилена, фторопласта), заменителей технического углерода в составе резин, также в качестве сорбента.
Получаемый из шунгита искусственный пористый материал шунгизит применяется в качестве теплоизоляционного материала и наполнителя для легких бетонов (шунгизитбетон).
О.В. Мосин
Источник:
О.В. Мосин. Новый природный минеральный сорбент – шунгит // Сантехника. 2011. № 3. С. 34–36.
Нужный совет
При покупке шунгита необходимо быть усмотрительным, так как нерадивые предприниматели часто выдают за шунгит совсем другие каменные породы, похожие по цвету и структуре на шунгит.
Ближайшее время у нерадивых производителей участились случаи реализации под маркой шунгит шунгизита, — материала, снаружи похожего, а по свойствам ничем не похожего на шунгит. Стоимость на него намного ниже, но содержание всех компонент, в том числе углерод (в структуре фуллеренов) в шунгизите в пару раз меньше (меньше 10%), чем в шунгите (от 26% и выше).
Отличить подделку от оригинала на 1-ый взор трудно даже спецу. Существует один обычный, но самый надёжный метод отличить реальный шунгит от подделки. Реальный шунгит можно совсем не сложно отличить от подделки, также от шунгитового сланца благодаря наличию характеристики электропроводимости.
Электропроводимость — очень редчайшее явление в каменных породах. В обыденных критериях довольно иметь обыденную батарейку, лампочку от карманного фонаря и два провода. Соедините поочередно лампочку и батарейку, прикоснитесь 2-мя проводками к хоть какому изделию из шунгита — лампочка зажгется. Если нет – то вы заполучили подделку.