Mineralogická a technologická charakteristika kyperských bentonitů

• Název práce v češtině: Mineralogická a technologická charakteristika kyperských bentonitů
• Název v anglickém jazyce: Mineralogical and technological characteristics of Cyprus bentonites
• Akademický rok vypsání: 2008/2009
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Ústav geochemie, mineralogie a nerostných zdrojů (31-430)
• Vedoucí / školitel: prof. Mgr. Richard Přikryl, Dr.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem, čeká na schválení garantem
• Datum přihlášení: 20.01.2010
• Datum zadání: 20.01.2010
• Datum odevzdání elektronické podoby: 31.08.2011
• Datum proběhlé obhajoby: 20.09.2011
• Oponenti: doc. RNDr. Emil Jelínek, CSc.

Předběžná náplň práce

ABSTRAKT
Kyperská ložiska bentonitu Phiti, Statos a Pedakomo se nachází v autochtonní sedimentární zóně, která reprezentuje mořskou sedimentaci během ústupu moře v období svrchní křída – pleistocén (67 Ma až 0,0117 Ma). Cílem diplomové práce bylo studovat mineralogické složení těchto bentonitů, analyzovat vybrané vlastnosti (chemické, fyzikální a mechanické) a na základě výsledků doporučit možné použití.Mineralogické studium kyperských bentonitů pomocí práškové rentgen difrakční analýzy prokázalo přítomnost jílových minerálů ze skupiny smektitu (montmorillonitu), dále potom minoritního illitu a kaolinitu. Z nejílových minerálů byl ve většině studovaných vzorků zjištěn zeolit, konkrétně klinoptilolit, dále křemen, relikty živců a v některých vzorcích též kalcit. Z chemické analýzy byl proveden orientační výpočet semikvantitativního zastoupení krystalických fází, zjištěných během mineralogického studia. Z tohoto výpočtu vyplývá, že studované kyperské bentonity obsahují 47-58 % smektitu, 3-19 % kaolinitu, 3-11 % illitu, 3-10 % klinoptilolitu, 8-17 % křemene a 2-5 % živce.Z fyzikálně chemických vlastností byla studována kationtová výměnná kapacita a měrný povrch. Hodnoty kaiontové výměnné kapacity kolísají v rozpětí 15,8 – 64,3 meq/100g pro jednotlivé jednomocné a dvojmocné kationty. Měrný povrch byl spočten z adsorpčních isoterem CO2 (oblast mikropórů) a N2 (oblast mesopórů a části makropórů). Zjištěný měrný povrch mikropórů (póry s poloměrem do 2 nm) v rozmezí 42,43 – 67,72 m2/g velmi těsně koreluje s obsahem smektitu. Měrný povrch mesopórů a části makropórů, interpretovaný metodou BET, dosahuje hodnot v rozmezí 62,92 – 92,19 m2/g, přičemž opět koreluje s obsahem smektitu.Z fyzikálních a fyzikálně-mechanických vlastností byly studovány: zrnitost, přirozená vlhkost, konzistenční meze, volné bobtnání, stlačitelnost a hydraulická vodivost. Z výsledků zrnitostního rozboru vyplývá, že jílová frakce tvoří 30-77 %; proto 5 z 6 studovaných vzorků lze klasifikovat jako jílovitou zeminu a 1 jako písčitý jíl. Přirozená vlhkost se u studovaných vzorků kyperských bentonitů pohybuje v rozmezí 7-17 % a vcelku dobře koreluje s obsahem smektitu.Na základě stanovení volného bobtnání byly určeny objemové změny, způsobené interakcí vody a bentonitu. V kombinaci s časem jsou některé kypreské bentonity schopné plně nabobtnat během jednoho dne s maximální deformací cca 1,8 mm. Naopak jiné kyperské bentonity i po pěti (někdy i po sedmi) dnech nebyly ustálené. Většina těchto bentonitů měla i malou objemovou deformaci (cca 0,4 mm ± 0,2 mm). Dále byly zkoumané vzorky zatíženy závažím (tlak působící na vzorky odpovídá cca 20000 – 1280000 Pa), čímž byla měřena stlačitelnost. Při studiu stlačitelnosti bylo zjištěno, že vzorky s vlhkostí okolo 15 % byly více stlačitelné než vzorky s vlhkostí menší než 10 % (kvůli obsahu menších pórů) nebo větší než 20 % (kvůli většímu osmotickému tlaku). Nejmenší změny byly v řádu 0,00035 mm, zatímco největší se pohybovaly okolo 0,4 mm. Ze získaných dat byla spočítána propustnost, která se při tlaku 270 kPa pohybuje v rozmezí od 2,01·10-9 do 7,97·10-11 m/s. Z hlediska propustnosti byla většina vzorků při menší zátěži nepropustná a při vyšší zátěži velmi nepropustná.ABSTRAKTKyperská ložiska bentonitu Phiti, Statos a Pedakomo se nachází v autochtonní sedimentární zóně, která reprezentuje mořskou sedimentaci během ústupu moře v období svrchní křída – pleistocén (67 Ma až 0,0117 Ma). Cílem diplomové práce bylo studovat mineralogické složení těchto bentonitů, analyzovat vybrané vlastnosti (chemické, fyzikální a mechanické) a na základě výsledků doporučit možné použití.Mineralogické studium kyperských bentonitů pomocí práškové rentgen difrakční analýzy prokázalo přítomnost jílových minerálů ze skupiny smektitu (montmorillonitu), dále potom minoritního illitu a kaolinitu. Z nejílových minerálů byl ve většině studovaných vzorků zjištěn zeolit, konkrétně klinoptilolit, dále křemen, relikty živců a v některých vzorcích též kalcit. Z chemické analýzy byl proveden orientační výpočet semikvantitativního zastoupení krystalických fází, zjištěných během mineralogického studia. Z tohoto výpočtu vyplývá, že studované kyperské bentonity obsahují 47-58 % smektitu, 3-19 % kaolinitu, 3-11 % illitu, 3-10 % klinoptilolitu, 8-17 % křemene a 2-5 % živce.Z fyzikálně chemických vlastností byla studována kationtová výměnná kapacita a měrný povrch. Hodnoty kaiontové výměnné kapacity kolísají v rozpětí 15,8 – 64,3 meq/100g pro jednotlivé jednomocné a dvojmocné kationty. Měrný povrch byl spočten z adsorpčních isoterem CO2 (oblast mikropórů) a N2 (oblast mesopórů a části makropórů). Zjištěný měrný povrch mikropórů (póry s poloměrem do 2 nm) v rozmezí 42,43 – 67,72 m2/g velmi těsně koreluje s obsahem smektitu. Měrný povrch mesopórů a části makropórů, interpretovaný metodou BET, dosahuje hodnot v rozmezí 62,92 – 92,19 m2/g, přičemž opět koreluje s obsahem smektitu.Z fyzikálních a fyzikálně-mechanických vlastností byly studovány: zrnitost, přirozená vlhkost, konzistenční meze, volné bobtnání, stlačitelnost a hydraulická vodivost. Z výsledků zrnitostního rozboru vyplývá, že jílová frakce tvoří 30-77 %; proto 5 z 6 studovaných vzorků lze klasifikovat jako jílovitou zeminu a 1 jako písčitý jíl. Přirozená vlhkost se u studovaných vzorků kyperských bentonitů pohybuje v rozmezí 7-17 % a vcelku dobře koreluje s obsahem smektitu.Na základě stanovení volného bobtnání byly určeny objemové změny, způsobené interakcí vody a bentonitu. V kombinaci s časem jsou některé kypreské bentonity schopné plně nabobtnat během jednoho dne s maximální deformací cca 1,8 mm. Naopak jiné kyperské bentonity i po pěti (někdy i po sedmi) dnech nebyly ustálené. Většina těchto bentonitů měla i malou objemovou deformaci (cca 0,4 mm ± 0,2 mm). Dále byly zkoumané vzorky zatíženy závažím (tlak působící na vzorky odpovídá cca 20000 – 1280000 Pa), čímž byla měřena stlačitelnost. Při studiu stlačitelnosti bylo zjištěno, že vzorky s vlhkostí okolo 15 % byly více stlačitelné než vzorky s vlhkostí menší než 10 % (kvůli obsahu menších pórů) nebo větší než 20 % (kvůli většímu osmotickému tlaku). Nejmenší změny byly v řádu 0,00035 mm, zatímco největší se pohybovaly okolo 0,4 mm. Ze získaných dat byla spočítána propustnost, která se při tlaku 270 kPa pohybuje v rozmezí od 2,01·10-9 do 7,97·10-11 m/s. Z hlediska propustnosti byla většina vzorků při menší zátěži nepropustná a při vyšší zátěži velmi nepropustná.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

ABSTRACT
The Cypriot deposits of bentonite, Phiti, Statos and Pedakomo are located in an autochthon sediment zone, which represents sediments during the marine regression in the period Upper Cretaceous - Pleistocene (67 Ma to 0.0117 Ma). The goal of this thesis is to suggest potential applications of bentonite, through the study of mineralogical composition and analysis of selected properties (chemical, physical and mechanical).The mineralogical study of Cypriot bentonite using X-ray diffraction analysis has proven the existence of clay mineral belonging to the group of smectite (montmorillonite), as well as the existence of minority illite and kaolinite. From non-clay minerals, the majority of the samples contained zeolite (clinoptilolite), quartz, feldspar and in some samples calcite. The semiquantitative representation of crystalline phases, found during the mineralogical study, was calculated through the chemical analysis. The calculations suggest that Cypriot bentonite is composed of 47 - 58 % smectite, 3 - 19 % kaolinite, 3 - 11 % illite, 3 - 10 % clinoptilonite, 8 - 17 % quartz and 2 - 5 % feldspar.From the physicochemical properties, the cation exchange capacity and specific surface area were studied. The values of cation exchange capacity fluctuate in a range 15.8 – 64.3 meq/100g for individual monovalent and bivalent cations. The specific surface area was calculated from the adsorption isotherms of CO2 (micropores) and N2 (mesopores and part of macropores). The calculated specific surface of micropores (defined as pores with a radius up to 2 nm) ranging from 42.43 – 67.72 m2/g correlates closely with the smectite composition. The specific surface area of mesopores and the part of macropores, interpreted using the BET method, ranges between 62.92 and 92.19 m2/g which are values that too correlate with the smectite content.From the physical and physical-mechanical properties, grain size distribution, moisture content, consistency limits, swelling ability, compressibility, and permeability were studied. The results from the grain size distribution indicate that the clay fraction ranges between 30-77 %; 5 out of 6 analyzed samples can therefore be classified as clay, and 1 out of 6 as sandy clay. The moisture of the analyzed samples of Cypriot bentonite lies within the range of 7 - 17 % and in general correlates with the smectite content.Volume changes caused by the interaction of water and bentonite have been evaluated based on swelling determination. In combination with time, some Cypriot bentonites have the ability to completely swell during one day, with a maximum deformation of approximately 1.8 mm. On the other hand, some Cypriot bentonites had yet to stabilize even after five (and in some cases seven) days. The majority of these bentonites also had a small volume deformation of approximately 0.2 – 0.6 mm. Furthermore, the compressibility was calculated by straining the samples with a weight equal to 20000 - 1280000 Pa. During the compressibility analysis it was discovered, that samples with moisture around 15 % were more compressible than samples with moisture of 10 % or less (due to smaller pores) and 20 % or more (due to larger osmotic pressure). The smallest changes were 0,00035 mm, whereas the biggest changes were around 0.4 mm. From the gained data permeability was calculated, which was found in the range between 2.01·10-9 and 7.97·10-11 m/s at pressure of 270 kPa. As regards the permeability, the majority of studied samples were impermeable at low strain and highly impermeable at high strain.ABSTRACTThe Cypriot deposits of bentonite, Phiti, Statos and Pedakomo are located in an autochthon sediment zone, which represents sediments during the marine regression in the period Upper Cretaceous - Pleistocene (67 Ma to 0.0117 Ma). The goal of this thesis is to suggest potential applications of bentonite, through the study of mineralogical composition and analysis of selected properties (chemical, physical and mechanical).The mineralogical study of Cypriot bentonite using X-ray diffraction analysis has proven the existence of clay mineral belonging to the group of smectite (montmorillonite), as well as the existence of minority illite and kaolinite. From non-clay minerals, the majority of the samples contained zeolite (clinoptilolite), quartz, feldspar and in some samples calcite. The semiquantitative representation of crystalline phases, found during the mineralogical study, was calculated through the chemical analysis. The calculations suggest that Cypriot bentonite is composed of 47 - 58 % smectite, 3 - 19 % kaolinite, 3 - 11 % illite, 3 - 10 % clinoptilonite, 8 - 17 % quartz and 2 - 5 % feldspar.From the physicochemical properties, the cation exchange capacity and specific surface area were studied. The values of cation exchange capacity fluctuate in a range 15.8 – 64.3 meq/100g for individual monovalent and bivalent cations. The specific surface area was calculated from the adsorption isotherms of CO2 (micropores) and N2 (mesopores and part of macropores). The calculated specific surface of micropores (defined as pores with a radius up to 2 nm) ranging from 42.43 – 67.72 m2/g correlates closely with the smectite composition. The specific surface area of mesopores and the part of macropores, interpreted using the BET method, ranges between 62.92 and 92.19 m2/g which are values that too correlate with the smectite content.From the physical and physical-mechanical properties, grain size distribution, moisture content, consistency limits, swelling ability, compressibility, and permeability were studied. The results from the grain size distribution indicate that the clay fraction ranges between 30-77 %; 5 out of 6 analyzed samples can therefore be classified as clay, and 1 out of 6 as sandy clay. The moisture of the analyzed samples of Cypriot bentonite lies within the range of 7 - 17 % and in general correlates with the smectite content.Volume changes caused by the interaction of water and bentonite have been evaluated based on swelling determination. In combination with time, some Cypriot bentonites have the ability to completely swell during one day, with a maximum deformation of approximately 1.8 mm. On the other hand, some Cypriot bentonites had yet to stabilize even after five (and in some cases seven) days. The majority of these bentonites also had a small volume deformation of approximately 0.2 – 0.6 mm. Furthermore, the compressibility was calculated by straining the samples with a weight equal to 20000 - 1280000 Pa. During the compressibility analysis it was discovered, that samples with moisture around 15 % were more compressible than samples with moisture of 10 % or less (due to smaller pores) and 20 % or more (due to larger osmotic pressure). The smallest changes were 0,00035 mm, whereas the biggest changes were around 0.4 mm. From the gained data permeability was calculated, which was found in the range between 2.01·10-9 and 7.97·10-11 m/s at pressure of 270 kPa. As regards the permeability, the majority of studied samples were impermeable at low strain and highly impermeable at high strain.