Синтез минералов и экспериментальные исследования

Обобщены новейшие данные в области синтеза ряда минералов в гидротермальных условиях, рас-плавными методами и при высоких давлениях. Приведены сведения по условиям выращивания, изучению строения и физических свойств кварца и некоторых его разновидностей, оптического кальцита, асбеста, цинкита, канкринита, циркона, иттриево-алюминиевых гранатов, фторфлогопита, муллита, алмаза и некоторых других минералов.

Для минералогов, геохимиков, кристаллографов, физиков, а также для всех других специалистов, занимающихся выращиванием и исследованием минералов, изучением процессов природного минерало-образования.

Выращивание монокристаллов кварца осуществляется из водных растворов NaOH или Na2C03 при температуре около 400° и давлениях порядка 1000 атм методом температурного перепада в сосудах высокого давления. Основными стадиями гидротермального синтеза являются растворение вещества, необходимого для роста кристаллов, перенос этого вещества в камеру роста и, наконец, процесс кристаллизации с присущими ему диффузионными и поверхностными явлениями [85, 169, 77].

Качественные кристаллы кварца можно получить, только полностью овладев сущностью физико-химических явлений, происходящих в автоклаве при выращивании. Существующие работы по механизму и кинетике растворения [101, 154, 195, 208] не отвечают на следующие вопросы: как происходит диффузия жидких компонентов к кристаллу в камере растворения, разрушение шихты, каков механизм химического взаимодействия, влияние неоднородности поверхности растворения и др.

Трудности экспериментального получения данных, характеризующих параметры процессов, происходящих в автоклаве при высоких давлениях и температурах, предопределили использование вычислительной техники для описания этих процессов.

Задачей нашего исследования является оценка вероятностного механизма процесса растворения шихты методом математического моделирования для создания математической модели, которая является основой при создании АСУТП. Использование этого метода объясняется отсутствием в настоящее время полной теоретической модели процесса растворения кварца при гидротермальном синтезе минералов. За основу нами принят следующий механизм процесса растворения. На начальном этапе происходит диффузия диполей воды и ионов гидроксила к поверхности шихты из объема камеры растворения через двойной диффузионный слой: жидкий диффузионный слой толщиной 6i (рис. 1) и твердый диффузионный слой, образующийся за счет трещин, изломов, следов декрепитации, толщиной 

Продиффундировавшие диполи и ионы гидроксила адсорбируются на поверхности раздела фаз в твердом диффузионном слое за счет хемосорбции. В результате адсорбции воды и ионов на кристаллической по-' верхности кварца образуется гидратированный мономолекулярный слой. В качестве центров десорбции выступают си-локсановые Si—О—Si-мостики. Адсорбция происходит главным образом вследствие дисперсионного взаимодействия. В результате адсорбции за счет разрыва нескомпенси-рованных силоксановых связей ( = Si—О—Si = ) образуются частицы с активными центрами на поверхности. В диффузионном слое частицы по активным центрам ( = Si— О") и ( = Si—О—Si = OH) [95] вступают в химическое взаимодействие с молекулами воды и ионами гидроксила до образования п(Н20) [Si(OH)5]-, Si(OH)4, Si2052-, Si032, которые десорбируются с поверхности частиц в реакционный объем претерпевая там дальнейшее химическое превращение. В общем случае математическая модель приведенного процесса раство рения относится к классу сложных гетерогенных реакций i должна отражать основные стадии этого процесса [67]:

— диффузию исходных веществ из объема камеры растворения через двойной диффузионный слой к активной поверхности;

—  адсорбцию реагентов на активной поверхности элементарного объема кварца;

— химическое взаимодействие;

— десорбцию продуктов реакции;

— диффузию продуктов реакции в объеме камеры растворе ния.