Геохимия, 2021, T. 66, № 12, стр. 1156-1166

Физико-химическое и термохимическое изучение эттрингита

Л. П. Огородова a***, Ю. Д. Гриценко ab, Д. А. Косова c, М. Ф. Вигасина a, Л. В. Мельчакова a, Д. А. Ксенофонов a, С.К. Дедушенко c

a Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет
119991 Москва, Ленинские Горы, Россия

b Минералогический музей им. А.Е. Ферсмана РАН
119692 Москва, Ленинский пр., 18, Россия

c Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
119991 Москва, Ленинские Горы, Россия

* E-mail: logor@geol.msu.ru
** E-mail: logor48@mail.ru

Поступила в редакцию 24.07.2020
После доработки 12.11.2020
Принята к публикации 26.11.2020

Аннотация

Проведено изучение природного гидросульфоалюмината кальция Ca6Al2(SO4)3(OH)12 ⋅ 26H2O – эттрингита (Н’Чванинг, Калахари, ЮАР) методами порошковой рентгенографии, ИК- и КР-спектроскопии, термического анализа и калориметрии. Изучен процесс термического преобразования эттрингита с привлечением результатов ИК- и КР-спектроскопии. На дифференциальном сканирующем калориметре “NETZSCH DSC 204 F1” (Германия) измерены энтальпии поэтапной дегидратации минерала. На высокотемпературном теплопроводящем микрокалориметре Кальве “СETARAM” (Франция) методом расплавной калориметрии растворения определена энтальпия образования эттрингита из элементов ΔfH0(298.15 K) = –17 525 ± 40 кДж/моль. Оценена энтальпия образования железодоминантного аналога эттрингита Ca6Fe2(SO4)3(OH)12 ⋅ 26H2O: –16 649 ± 59 кДж/моль.

Ключевые слова: ИК-спектроскопия, КР-спектроскопия, сканирующая калориметрия, микрокалориметрия Кальве, энтальпия дегидратации, энтальпия образования, эттрингит

Список литературы

  1. Кафтаева М.В., Рахимбаев И.Ш. (2013) О влиянии первичного и вторичного эттрингита на качество автоклавного газобетона. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. Материалы конференций. (10), 325-327.

  2. Киселева И.А. (1976) Термодинамические свойства и устойчивость пиропа. Геохимия. (6), 845-854.

  3. Киселева И.А., Огородова Л.П., Топор Н.Д., Чигарева О.Г. (1979) Термохимическое исследование системы СаО–MgO–SiO2. Геохимия. (12), 1811-1825.

  4. Коротких Д.Н., Чернышев Е.М. (2008) Наноармирование структуры цементного камня кристаллами эттрингита как средство повышения трещиностойкости бетонов. Строительство и архитектура. Строительные материалы и изделия. (1), 67-76.

  5. Котельников А.Р., Кабалов Ю.К., Зезюля Т.Н., Мельчакова Л.В., Огородова Л.П. (2000) Экспериментальное изучение твердого раствора целестин-барит. Геохимия. (12), 1286-1293.

  6. Kotel’nikov A.R., Kabalov Yu K., Zezyulya T.N., Mel’chakova L.V., Ogorodova L.P. (2000) Experimental study of celestine -barite solid solution. Geochem. Int. 38(12), 1181-1187.

  7. Кузнецова И.Н., Косач А.Ф., Ращупкина М.А., Гутарева Н.А. (2015) Влияние основных минералов цементного камня на его структуру и свойства. Изв. вузов. Сер. Строительство. (8), 25-32.

  8. Огородова Л.П., Киселева И.А., Мельчакова Л.В., Вигасина М.Ф., Спиридонов Э.М. (2011) Калориметрическое определение энтальпии образования пирофиллита. ЖФХ. (9), 1609-1611.

  9. Albino V., Cioffi R., Marroccoli M., Santoro L. (1996) Potential application of ettringite generating systems for hazardous waste stabilization. J. Hazard. Mater. 51, 241-252.

  10. Álvares-Ayuso E., Nugteren H.W. (2005) Synthesis of ettringite: a way to deal with the acid wastewaters of aluminum anodising industry. Water Res. 39, 65-72.

  11. Antao S.M., Duane M.J., Hassan I. (2002) DTA, TG, and XRD studies of sturmanite and ettringite. Can. Mineral. 40, 1403-1409.

  12. Barnett S.J., Adam C.D., Jackson A.R.W. (2000) Solid solutions between ettringite, Ca6Al2(SO4)3(OH)12⋅26H2O, and thaumasite Ca3Si(SO4)(CO3)(OH)6 ⋅ 12H2O. J. Mater. Sci. 35, 4109-4114.

  13. Barnett S.J., Macphee D.E., Lachowski E.E., Crammond N.J. (2002) XRD, EDX and IR analysis of solid solutions between thaumasite and ettringite. Cem. Concr. Res. 32, 719-730.

  14. Chen B., Kuznik F., Horgnies M., Johannes K., Morin V., Gengembre E. (2019) Physicochemical properties of ettringite/meta-ettringite for thermal energy storage: Review. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 193, 320-334.

  15. Chrysochoou M., Dermatas D. (2006) Evalution of ettringite and hydrocalumite formation for heavy metal immobilization: Literature review and experimental study. J. Hazard. Mater. 136, 20-33.

  16. Deb S.K., Manghnani M.H., Ross K., Livingston R.A., Monteiro P.J.M. (2003) Raman scattering and X-ray diffraction study of the thermal decomposition of an ettringite-group crystal. Phys. Chem. Miner. 30, 31-38.

  17. Drebushchak V.A., Seryotkin Yu.V., Kokh S.N., Sokol E.V. (2013) Natural specimen of triple solid solution ettringite-thaumasite-chromate-ettringite. J.Therm.Anal. Calorim. 114, 777-783.

  18. Fridrichová M., Dvořák K., Gazdič D., Mocrá J., Kulísek K. (2016) Thermodynamic stability of ettringite formed by hydration of ye’elimite clinker. Adv. Mater. Sci. Eng., Article ID 9280131, 7 p.

  19. Frost R.L., López A., Xi Y., Scholz R., da Costa G.M., Lima R.M.F., Granja A. (2013) The spectroscopic characterization of the sulphate mineral ettringite from Kuruman manganese deposits, South Africa. Vib. Spectrosc. 68, 266-271.

  20. Gougar M.L.D., Scheetz B.E., Roy D.M. (1996) Ettringite and C–S–H Portland cement phases for waste ion immobilization: a review. Waste Manage. 16(4), 295-303.

  21. Grounds T., Midgley H.G., Nowell D.V. (1985) The use of thermal methods to estimate the stste of hydration of calciumtrisulphoaluminate hydrate 3CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 3CaSO4 nH2O. Thermochim.Acta. 85, 215-218.

  22. Hartman M.R., Berliner R. (2006) Investigation of the structure of ettringite by time-of-flight neutron powder diffraction techniques. Cem. Concr. Res. 36, 364-370.

  23. Hartman M.R., Brady S.K., Berliner R., Conrady M.S. (2006) The evolution of structural changes in ettringite during thermal decomposition. J.Solid State Chem. 179, 1259-1272.

  24. Jiménes A., Prieto M. (2015) Thermal stability of ettringite exposed to atmosphere: implications for the uptake of harmful ions by cement. Environ. Sci. Technol. 49, 7957-7964.

  25. Kiseleva I.A., Ogorodova L.P., Melchakova L.V., Bisengalieva M.R., Becturganov N.S. (1992) Thermodynamic properties of copper carbonates – malachite Cu2(OH)2CO3 and azurite Cu3(OH)2(CO3)2. Phys. Chem. Miner. 19, 322-333.

  26. Kosova D.A., Voskov A.L., Kovalenko N.A., Uspenskaya I.A. (2016) A Water-Urea Ammonium Sulfamate system: Experimental investigation and thermodynamic modeling. Fluid Phase Equilib. 425, 312-323.

  27. Lothenbach B., Winnefeld F. (2006) Thermodynamic modeling of the hydration of Portland cement. Cem. Concr. Res. 36, 209-226.

  28. Lothenbach B., Matschei T., Möschner G., Glasser F.P. (2008) Thermodynamic modeling of the effect of temperature on the hydration and porosity of Portland cement. Cem. Concr. Res. 38(1), 1-18.

  29. Moore A.E., Taylor H.F.W. (1970) Crystal structure of etringite. Acta Crystallogr. B26, 386-391.

  30. Möschner G., Lothenbach B., Winnefeld F., Ulrich A., Figi R., Kretzschmar R. (2009) Solid solution between Al-ettringite and Fe-ettringite (Ca6[Al1-xFex(OH)6]2(SO4)3 ⋅ 26H2O). Cem. Concr. Res. 39, 482-489.

  31. Myneni S.C.B., Traina S.J., Waychunas G.A., Logan T.J. (1998) Vibrational spectroscopy of functional group chemistry and arsenate coordination in ettringite. Geochim. Cosmochim. Acta. 62(21–22), 3499-3514.

  32. Ndiaye K., Ginestet S., Cyr M. (2017) Modelling and experimental study of low temperature energy storage reactor using cementitious material. Appl. Therm. Eng. 110, 601-615.

  33. Ogorodova L.P., Melchakova L.V., Kiseleva I.A., Belitsky I.A. (2003) Thermochemical study of natural pollucite. Thermochim. Acta. 403, 251-256.

  34. Olgun A., Kavas T., Erdogan Y., Once G. (2007) Physico-chemical characteristics of chemically activated cement containing boron. Build. Environ. 42, 2384-2395.

  35. Perkins R.B., Palmer C.D (1999) Solubility of ettringite (Ca6[Al(OH)6]2(SO4)3 ⋅ 26H2O) at 5–75°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 63, 1969-1980.

  36. Renaudin G., Segni R., Mentel D., Nedelec J.-M., Leroux F., Taviot-Gueho C. (2007) A Raman study of the sulfated cement hydrates: ettringite and monosulfoaluminate. J. Adv. Concr. Technol. 5(3), 299-312.

  37. Robie R.A., Hemingway B.S. (1995) Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298.15 K and 1 bar (105 pascals) pressure and at higher temperatures. U.S. Geol. Surv. Bull. 2131, 461 p.

  38. Scholtzova E., Kuckova L., Kožíšek J., Tunega D. (2015) Structural and spectroscopic characterization of ettringite mineral – combined DFT and experimental study. J. Mol. Struct. 1100, 216-224.

  39. Skoblinskaya N.N., Krasilnikov K.G. (1975) Changes in crystal structure of ettringite on dehydration. 1. Cem. Concr. Res 5, 381-394.

  40. Skoblinskaya N.N., Krasilnikov K.G., Nikitina L.V., Varlamov V.P. (1975) Changes in crystal structure of ettringite on dehydration. 2. Cem. Concr. Res. 5, 419-432.

  41. Struble L.J., Brown P.W. (1986) Heats of dehydration and specific hats of compounds founf in concrete and their potential for thermal energy storage. Sol. Energy Mater. 14, 1-12.

  42. Warren C.J., Reardon E.J. (1994) The solubility of ettringite at 25°C. Cem. Concr. Res. 24(5), 1515-1524.

  43. Zhou Q., Glasser F.P. (2001) Thermal stability and decomposition mechanisms of ettringite at <120°C. Cem. Concr. Res. 31, 1333-1339.

  44. Zhou Q., Lachowski E.E., Glasser F.P. (2004) Metaettringite, a decomposition product of ettringite. Cem. Concr. Res. 34, 703-710.

  45. Yang D., Guo R. (2011) Experimental study on modulus and hardness of ettringite. Exp. Techn. 38, 6-12.

Дополнительные материалы отсутствуют.