W części literaturowej niniejszej pracy można wyróżnić trzy główne obszary tematyczne: charakterystykę struktury minerałów z grupy smektytu i wynikających z niej właściwości, opis wybranych grup surowców zasobnych w smektyty występujących na terenie południowo-wschodniej Polski oraz zastosowanie surowców ilastych w problematyce ochrony środowiska i w budownictwie. Pierwszy z nich wprowadza czytelnika w zagadnienia surowców smektytowych. Wiąże się ono z występowaniem różnego rodzaju minerałów smektytowych, które różnią się głównie podstawieniami izomorficznymi w warstwach tetraedrycznych i warstwie oktaedrycznej, co wpływa na wypadkowy ładunek pakietu i jego lokalizację. Ponadto kolejne różnice związane są z rodzajem kationów międzypakietowych,
które znacząco wpływają na właściwości smektytów. Powiązanie cech strukturalnych z właściwościami użytkowymi zostało przedstawione głównie w oparciu o prace autorstwa
Bergaya i in. ([red.], 2006) oraz Murray’a (2007). Dane te uzupełniono na podstawie starszych i ciągle aktualnych pozycji literaturowych (Stoch 1974, Grim 1953) i – w zależności od poruszanego zagadnienia – innych artykułów naukowych. Omawiana część pracy pozwala na interpretację obserwowanych efektów zachodzących w próbkach wywołanych znaczącym w nich udziałem smektytu oraz wprowadzeniem jego modyfikacji.
Opis przeznaczonych do badań grup surowców południowo-wschodniej Polski –
wykonany w szczególności na podstawie monografii Neya ([red.], 2004) oraz Kłapyty i Żabińskiego ([red.], 2008) – pozwala stwierdzić, iż na tym obszarze nie występują surowce
wybitnie zasobne w smektyt (w porównaniu np. ze słowackimi złożami bentonitów). Jego udział w iłach krakowieckich rzadko przekracza 20%, z kolei iłowce występujące na Pogórzu Dynowskim wykazują większą, dochodzącą do 50%, zawartość tego minerału. W pracy podjęty został również opis nie postrzeganych jak dotąd jako źródło surowców smektytowych
łupków z warstw krośnieńskich na podstawie charakterystyki surowca pochodzącego z kopalni piaskowca „Wysoczany I”.
Z uwagi na stosunkowo mały udział smektytu w omawianych surowcach należy wykluczyć ich zastosowanie jako pełnowartościowych sorbentów mineralnych. Podwyższony z kolei w nich udział –innych, poza smektytem – minerałów ilastych sugeruje jednak
korzystne ich właściwości w konstrukcji przesłon mineralnych i materiałach
hydroizolacyjnych. Badania pod tym kątem – w odniesieniu do iłów krakowieckich – przeprowadził Brański (1995). Z uwagi na niski współczynnik filtracji i korzystne parametry mechaniczne (z punktu widzenia gruntoznawstwa) stwierdzono ich przydatność do tego celu. Uzasadnione więc wydaje się podjęcie badań mających na celu określenie pojemności sorpcyjnej w odniesieniu do wybranych metali ciężkich oddziałujących szkodliwie na
55
środowisko naturalne oraz wyznaczenie niektórych parametrów wymaganych do
zastosowania surowców dla celów hydroizolacjnych. Badania te zostały prowadzone w kontekście niniejszej pracy, zaś w publikacjach Brańskiego były one najczęściej pomijane.
Jedną z właściwości, która jest analizowana pod tym kątem to zjawisko pęcznienia w środowisku wodnym. Szczególnie duży wkład do badań tego zjawiska wniósł Laird (1996, 2006), który opracował model pęcznienia krystalicznego glinokrzemianów
warstwowych typu 2:1 (w tym smektytów). W literaturze polskiej na szczególną uwagę zasługuje obszerna monografia autorstwa Kuleszy-Wiewióry (1982). Uzupełnieniem aktualnego stanu wiedzy podjętym przez autora niniejszej rozprawy w tej dziedzinie jest analiza ciśnienia pęcznienia – jednego z podstawowych parametrów charakteryzujących to zjawisko.
Surowce ilaste południowo-wschodniej Polski – w szczególności iły krakowieckie – praktycznie wyłącznie wykorzystywane są jako główny składnik mas ceramicznych do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej. Jak dotąd, jedynie w dwóch znanych autorowi niniejszej pracy publikacjach omówiono przydatność wybranych surowców z tego regionu do produkcji ceramicznych kruszyw lekkich (Kałwa i in. 1974; Kita-Badak 1982). Wyniki badań przedstawione w niniejszej pracy pozwalają na identyfikację nowego, perspektywicznego złoża surowca ilastego przydatnego do tego celu (Dylągówka-Zapady). Oprócz tego podjęto w niniejszej pracy próbę interpretacji różnic w przebiegu pęcznienia termicznego, spowodowanych modyfikacją chemiczną badanego surowca smektytowego. Na szczególną uwagę zasługuje podjęcie tego, słabo poznanego zagadnienia.
Badania podjęte w niniejszej pracy mają m.in. na celu określenie perspektywicznych zastosowań dla wybranych iłów południowo-wschodniej Polski, które odbiegają od dotychczas stosowanych rozwiązań technologicznych. Dotyczy to zwłaszcza iłów krakowieckich, które są wyłącznie stosowane do produkcji ceramiki budowlanej. Oprócz tego, na uwagę zasługują badania poszerzające aktualną wiedzę na temat zjawisk takich jak:
pęcznienie termiczne i pęcznienie w środowisku wodnym surowców smektytowych. W eksperymentalnej części tej pracy przedstawione są również relacje pomiędzy składem
mineralnym i modyfikacją smektytu a końcowymi właściwościami surowców ilastych, które mogą przyczynić się do rozwiązania wybranych problemów technologicznych w zakładach przeróbki surowców ilastych. Mogą to być m.in.: wybór optymalnego sposobu przeróbki surowców smektytowych lub odpowiedni dobór surowca do konkretnych zastosowań, właściwa interpretacja zjawisk zachodzących podczas obróbki surowców ilastych, a także analiza czynników wpływających na wybrany proces technologiczny.
56
Cel i teza pracy
Analiza dostępnej literatury na temat właściwości i składu mineralnego kopalin ilastych występujących w południowo-wschodniej Polsce pozwoliła na wytypowanie ich perspektywicznych zastosowań. Jako surowce do badań wybrano iły krakowieckie z 7 złóż, surowiec ilasto-krzemionkowy z Dylągówki oraz łupek krośnieński z Wysoczan. Oprócz tego surowce te zostały poddane odpowiedniej modyfikacji w celu poprawy wybranych właściwości. Celem pracy było więc określenie przydatności technologicznej tych surowców ilastych i ich modyfikowanych odmian w konstrukcji przesłon mineralnych wykonywanych na komunalnych składowiskach odpadów, jako składników hybrydowych materiałów hydroizolacyjnych oraz do produkcji keramzytu.
W związku z obecnością minerałów grupy smektytu w badanych surowcach i ich nadrzędnej roli w stosunku do innych składników mineralnych określony został ich wpływ na wybrane parametry technologiczne. Kolejnym, analizowanym zagadnieniem jest więc wpływ wybranych czynników na parametry technologiczne, którymi są w przypadku:
przesłon mineralnych i hydroizolacji
o sorpcja takich metali ciężkich jak: miedź, nikiel, cynk i chrom o pęcznienie w środowisku wodnym
produkcji keramzytu
o zdolność do termicznego pęcznienia.
Dla zrealizowania postawionych celów sformułowano następujące tezy:
Analizowane surowce ilaste z uwagi na podwyższoną zawartość smektytu charakteryzują się właściwościami pozwalającymi na ich wykorzystanie w przesłonach mineralnych na składowiskach odpadów komunalnych.
Udział smektytu determinuje podwyższone właściwości sorpcyjne w odniesieniu do
minerałów ciężkich oraz znacząco wpływa na podwyższenie parametrów związanych z pęcznieniem w środowisku wodnym.
Ładunek pakietu smektytu i rodzaj kationów międzypakietowych mają kluczowe znaczenie w procesach sorpcji i pęcznienia krystalicznego.
Lepkość powstałego w wysokich temperaturach stopu i wydzielanie się gazów związanych
z emisją dwutlenku węgla (CO2), dwutlenku siarki (SO2) i tlenu cząsteczkowego (O2) z redukcji tlenku żelaza (III) do tlenku żelaza (II) determinuje zdolność surowców ilastych
do termicznego pęcznienia.
57
Zakres pracy
W związku z poruszanymi w niniejszej pracy zagadnieniami, zakres pracy stanowiły: w odniesieniu do części literaturowej
o przegląd literatury na temat struktury, właściwości i zastosowania surowców zasobnych w smektyty;
o ocena właściwości wybranych surowców ilastych południowo-wschodniej Polski i dyskusja na temat ich potencjalnych zastosowań;
o omówienie cech surowców ilastych, które pozwalają na ich zastosowanie w konstrukcji przesłon mineralnych, projektowania materiałów hydroizolacyjnych oraz do produkcji keramzytu;
w odniesieniu do części doświadczalnej
o charakterystyka surowcowa wykonana na podstawie badań składu fazowego, chemicznego i ziarnowego, a także badania rozwinięcia powierzchni BET i pojemności wymiany kationów CEC;
o analiza parametrów przydatnych do charakterystyki surowców pod kątem ich wykorzystania w przesłonach mineralnych i jako materiałów hydroizolacyjnych, do
czego służy w głównej mierze wyznaczenie parametrów sorpcyjnych w odniesieniu do jonów metali ciężkich i wody (analizy nie obejmują badań z zakresu gruntoznawstwa);
o analiza zjawisk towarzyszących obróbce termicznej pod kątem określenia przydatności badanych surowców do produkcji keramzytu (analiza nie obejmuje wyznaczenia parametrów użytkowych kruszywa lekkiego).
58
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA