Российский исследователь воды, биохимик, канд. хим. наук. Член Японского Общества биохимии, биотехнологии и бионауки и других международных академий. Научные интересы - изучение структуры воды, воздействия на воду, изотопные эффекты дейтерия, клеточная адаптация к тяжелой воде, молекулярная эволюция, биотехнология изотопно-меченых природных соединений. Автор около 50 научных работ по воде, воздействию на воду различных внешних факторов и очистке воды.
Шунгит и его свойства
ШунгитШунгит (по поселку Шуньга, Карелия, РФ) – минерал нового поколения природных минеральных сорбентов (ПМС), промежуточный продукт между аморфным углеродом и кристаллическим графитом, содержащий углерод (30 масс. %), кварц (45 масс. %) и силикатные слюды (около 20 масс. %). Шунгитовый углерод по последним данным представляет собой окаменевшее вещество органических донных отложений высокого уровня карбонизации углерода с одержанием фуллереноподобных регулярных структур от 0,0001 до 0,001 мас.%.
Свое название шунгит получил в 1887 году от поселка Шуньга в Карелии, расположенном на берегу Онежского озера, где находится единственное в России Зажогинское месторождение шунгитовых пород. Шунгитные запасы Зажогинского месторождения составляют 35 млн тонн. Производственная мощность предприятия по добыче и переработке шунгита составляет 200 тыс. тонн в год.
Первоначально шунгит использовался, в основном, 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. Впоследствии обнаружились другие ценные свойства шунгитовых пород – сорбционные, бактерицидные, каталитические, восстановительные свойства, а также способность шунгита экранировать электромагнитные и радио излучения. Эти свойства позволили использовать шунгит в различных отраслях науки, промышленности и техники для создания на его основе самых различных материалов с наномаолекулярной структурой. На основе шунтита созданы электропроводные краски, наполнители полимерных материалов и резин, заменители сажи и технического углерода бетоны, кирпичи, штукатурные растворы, асфальты, а также экранирующие элекромагнитное и радиоизлучение материалы и материалы, обладающие биологической активностью. Обсуждаются идеи создания лекарственных носителей на основе шунгита.
Сорбционные, каталитические и восстановительные свойства шунгита способствовали его использованию в водообработке и в водоочистве для очистки сточных вод от многих неорганических и органических веществ (тяжелые металлы, аммиак, нефтепродукты, пестициды, фенолы, поверхностно-активные вещества и др.). Кроме этого, шунгит является эффективным сорбентом для очистки водопроводной воды от хлора и хлорорганических веществ (диоксинов, радикалов), обладает бактерицидными свойствами по отношению к патогенной микрофлоре в воде.
Шунгитная вода имеет общее оздоравливающее воздействие на организм, удаляет раздражения, зуд, сыпи, восстанавливает блеск волос, эффективна при вегето-сосудистой дистонии, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, печени, камнях в почках. Этой водой лечат многие заболевания, в т. ч. дерматологические, аллергические, болезни 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 взаимоотношениях с силикатными компонентами.
Шунгитовый углерод - это окаменевшая древнейшая нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определённые регулярные структуры, см. ниже) углерод. Его содержание в породе около 30%, а 70% составляют силикатные минералы - кварц, слюды. Кроме 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, полученном при термическом обжиге шунгита (шунгизит) при 1200-1400 0С,содержатся в небольших 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
Химический состав шунгитов Зажогинского месторождения (Карелия) (масс. %)
№
Химический 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 свойства шунгита достаточно хорошо изучены. Плотность шунгита составляет 2,1-2,4 г/см3; пористость – до 5 %; прочность на сжатие – 100-120 МПа; коэффициент электропроводности – 1500 См/м; коэффициент теплопроводности – 3,8 Вт/м . К, адсорбционная емкость до 20 м2/г.
Таблица 2
Химический состав шунгита после термообработки при 1200…1400 0С
№
Химический 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
Потери при прокаливании
32,78
Шунгиты различаются по составу минеральной основы (алюмосиликатной, кремнистой, карбонатной) и количеству шунгитового углерода. Шунгитовые породы с силикатной минеральной основой подразделяются 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 пределах 83-88 масс.%(рис. 1).
Рис. 1. Распределение (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 свойства шунгита определяются наноструктурой и составом образующих его элементов. Шунгитовый углерод равномерно распределен в силикатном каркасе из мелкодисперстных кристаллов кварца, размерами 1-10 мкм, что подтверждено исследованиями ультратонких шлифов шунгита методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) в поглощенных и обратнорассеянных электронах (рис. 2).
Рис. 2. Структура шунгитовой породы в растровом электронном микроскопе: Область сканирования – 100 x 100 мкм, разрешение – 0,3 нм, увеличение – 500000 раз. Стрелками показаны силикатный каркас из мелкодисперстного кварца, размерами 1-10 мкм и равномерно распределенный углерод.
Фуллерены впервые были открыты в 1985 году при лазерном облучении твердого графита. Позже фуллерено-подобные структуры были обнаружены не только в графите, но и в образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах саже, а также в шунгите (0,001 масс. %). Кристалл, образованный молекулами фуллеренов (фуллерит) является молекулярным кристаллом; переходной формой между органическим и неорганическим веществом. Фуллерит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку размером 1,42 нм, расстоянием между ближайшими 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 переходит в простую кубическую с увеличением 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 многослойных фуллереноподобных глобул, диаметром 10-30 нм, полученная методом РЭМ. Слева флуоресциирующие фуллереноподобные сферические глобулы; справа – многослойные фуллереноподобные сферические глобулы с пакетами углеродных слоев, при более высоком разрешении.
Характерной особенностью структуры фуллеренов является то, что атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность формирующейся графитовой сферы или эллипсоида и составляют замкнутые многогранники, состоящие из четного числа трехкоординированных атомов углерода, находящихся в состоянии sp2–гибридизации. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между 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 неустойчивыми. Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (n<400), образуются в незначительных количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. В углеродистом веществе шунгитовых пород выявлены фуллерены (С60, С70, С74, С76, С84 и др.), а 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 различным количеством атомов углерода: С24, С28, С32, С36, С50, С60, С70
Благодаря сетчато-шарообразному строению природные фуллерены и их синтетические производные являются идеальными сорбентами и наполнителями. Толщина сферической оболочки молекулы фуллерена С60 составляет ~0,1 нм с радиусом молекулы – 0,357 нм. Помещая внутри углеродных кластеров разные атомы и молекулы, можно создавать различные материалы и сорбенты с широким спектром физико-химических свойств. В настоящее время на основе фуллеренов синтезировано более 3 тысяч новых элементорганических соединений. Перспективы развития синтеза фуллеренов связаны с особенностями химического строения молекул фуллеренов – трехмерных аналогов ароматических структур и наличием большого числа двойных сопряженных связей и реакционных центров на замкнутой углеродной сфере. Обладая высокой электроотрицательностью, фуллерены выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Комбинация фуллерена с представителями множества известных классов веществ открывает для химиков-синтетиков возможность получения многочисленных производных этих соединений.
Фуллеренсодержащие материалы используются в современных нанотехнологиях, микроэлектронике, медицине, космических и военных технологиях, в машинном производстве, в производстве технической продукции, новейших сталей и сплавов, строительных, огнеупорных материалов, красок, тонкодисперстных порошков, водоочистке и др. Обсуждается идея создания лекарственных носителей на основе водо-растворимых эндоэдральных соединений фуллеренов и фуллеренсодержащих материалов, внутри которых помещен один или более атомов какого- либо элемента с радиоактивными изотопами. Разработаны условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на основе фуллеренов, введение которых в организм позволит избирательно воздействовать на пораженные раковой опухолью клетки, препятствуя их дальнейшему размножению. Основным препятствием использования искусственно синтезированных фуллеренов является их высокая стоимость, которая варьирует 100-900 долларов США за грамм, в зависимости от их качества и степени чистоты. Поэтому перспективным направлением науки и техники является поиск и разработка новых природных фуллерен-содержащих минералов, каким является отечественный шунгит.
Широкие перспективы использованию шунгита в качестве фильтрующего материала открываются в водоподготовке и очистке воды. Природный шунгит, уступая активированному углю лишь низкой пористостью и внутренней поверхностью, как сорбент характеризуется рядом положительных характеристик:
· высокой адсорбционной способностью и технологичностью, характеризуемой малым сопротивлением напора жидкости;
· механической прочностью и малой истираемостью;
· корозионной устойчивостью;
· способностью к сорбции многих веществ, как органических (нефтепродуктов, бензола, фенола, пестицидов и др.) так и неорганических (хлор, аммиак, тяжелые металлы);
· каталитической активностью;
· сравнительно низкой стоимостью;
· экологической чистотой и безопасностью.
По данным исследований, выполненных во Всероссийском научно-исследовательском институте минерального сырья им. Н.М. Федоровского по эффективности шунгит проигрывает активированному углю на первом этапе фильтрации, в течение первых 24 часов, в дальнейшем шунгит начинает очищать воду с более высокой и постоянной скоростью. Это объясняется каталитическими свойствами шунгита и способностью каталитически окислять сорбируемые на его поверхности органические вещества из воды.
Исследования антиоксидатных свойств шунгита по отношению к хлорорганическим соединениям и свободным радикалам показали, что шунгит выводит свободные радикалы из воды в 30 раз эффективнее, чем активированный уголь. Это является очень важным обстоятельством, поскольку свободные радикалы, образующиеся при обработке воды хлором и его производными, оказывают негативное влияние на организм человека и являются причиной многих заболеваний (сердечно-сосудистых, онкологических и др.).
Эти вышеперечисленные качества позволяют использовать шунгит в качестве эффективного материала сорбционного фильтра для очистки сточных вод от органических и хлорорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, фенолов, поверхностно-активных веществ, диоксинов и др). Шунгит абсорбирует на своей поверхности до 95 % загрязнителей, включая хлорорганические соединения, фенолы, диоксины, тяжелые металлы, радионуклиды и др., устраняет мутность и цветность воды и придает воде хорошие органолептические качества, одновременно насыщая ее микро- и макроэлементами (табл. 3). Адсорбционная активность шунгита по фенолу составляет 14 мг/г; по термолизным смолам – 20 мг/г; по нефтепродуктам более – 40 мг/г. В модельных экспериментах показано, что в воде, содержащей тяжелые металлы (медь, кадмий, ртуть, свинец), бор, фенол и бензол в концентрациях в 10…50 раз превышающих ПДК, после обработки шунгитом в стационарных, либо динамических условиях на фильтровальных установках из шунгита, содержание этих загрязнителей снижается ниже установленных нормативными документами уровней. При этом в воду не поступают каких-либо токсичных элементов из шунгитовых сорбентов.
Таблица 3
Показатели эффективности минеральных фильтров на основе шунгита
№
Вид загрязнения
Степень очистки, %
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
Фенолы
90
12
Диоксины
97
13
Яйца гельминтов
90
14
Запах
85
15
Мутность
95
Кроме этого, шунгит благодаря сорбционной активности по отношению к патогенной микрофлоре, имеет выраженные бактерицидные свойства, что позволяет проводить эффективное обеззараживания питьевой воды этим минералом в водоподготовке и водоочистке. Отмечена его бактерицидная активность по отношению к патогенным сапрофитам, и простейшим. Имеются данные, что после пропускания воды, содержащей кишечную палочку, через шунгит наблюдается почти полное ее удаление (коли-индекс изменяется от 2300 кл/л до 3 кл/л). Из 1785 кл/л простейших (инфузории, коловратки, ракообразные) в исходной воде после обработки шунгитом, наблюдались лишь единичные экземпляры (5 кл/л). Дополнительно к этим качествам, шунгит обладает биологической активностью.
Благодаря всем этим вышеперечисленным свойствам шунгит можно использовать в подготовке питьевой воды в проточных системах любой производительности промышленного и бытового назначения, а также в колодцах с целью улучшения качественных характеристик воды и для придания воде полезных свойств.
Особенно эффективным и технологически оправданным является применение в фильтрующих системах смесей на основе шунгита с активированным углем или с цеолитом с возможной последующей регенерацией сорбентов. При добавлении в систему очистки к шунгиту других природных сорбентов (кремень, доломит, глауконит) очищаемая вода обогащается до физиологически оптимальных значений кальцием, магнием, кремнием и гидрокарбонатами.
Установлено, что вода, пропущенная через шунгит или 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 России фильтры для очистки воды на основе шунгита разрабатываются с 1995 года. Сейчас на рынке отечественных производителей фильтров имеется ряд крупных фирм, которые производят бытовые и промышленные шунгитные фильтры.
Другие области практического применения шунгита
Электропроводящие свойства шунгитовых пород позволяют создавать на их основе новые электропроводные материалы, обладающие радиоэкранирующими и радиопоглощающими свойствами (снижать уровни электромагнитных излучений частотой 10-30 ГГц и электрических полей с частотой 50 Гц). Они также позволяют создавать электропроводные краски, бетоны, асфальты, отделочные материалы, штукатурные растворы и др. На основе этих материалов разработаны электронагреватели, созданы новые перспективные экологически чистые строительные материалы и др.
Наличие в шунгите фуллерено-подобных молекул открывает перспективы его дальнейшего использования в различных отраслях промышленности – в машиностроении для производства различных минеральных добавок и смазок, в строительстве – в качестве кирпича или композита в штукатурных смесях, при создании экранирующих помещений, для защиты от воздействия различного рода излучений, в электроснабжении, в виде красок, которые позволяют получать электропроводные поверхности и др. Лимитирующим фактором при этом остается чрезвычайно низкий процент содержания фуллеренов в шунгите (до 0,001 масс. %).
Шунгит, благодаря своей структуре и многокомпонентным составом образующих его элементов обладает и высокой активностью в окислительно-восстановительных процессах, широким спектром сорбционных и каталитических свойств. Это позволяет эффективно использовать этот минерал в различных окислительно-восстановительных процессах: в т.ч. в металлургии, в доменном производстве литейных высококремнистых чугунов (1 тонна шунгита заменяет 1,3 тонны кокса), в производстве ферросплавов, в производстве фосфора, в производстве карбида (SiC) и нитрида (Si3N4) кремния и др.
На основе шунгита создаются препараты, обладающие выраженной биологической активностью. Применение их в сельском хозяйстве в качестве минеральных добавок способствует снижению кислотности почвы и сохранению влажности в 2–2,5 раза дольше, чем на участках без шунгита, что оказывает положительное влияние на продуктивность продуктивность сельскохозяйственных культур.
При диспергировании шунгитов получаются тонкодисперстные порошки, хорошо смешивающиеся с органическими и неорганическими веществами. Это свойство шунгитовых порошков позволяет использовать их в качестве черного пигмента красок на различной основе (масляных и водных), наполнителей полимерных материалов (полиэтилена, полипропилена, фторопласта), заменителей технического углерода в составе резин, а 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.
Полезный совет
При покупке шунгита нужно быть осторожным, поскольку недобросовестные предприниматели зачастую выдают за шунгит совершенно другие каменные породы, похожие по цвету и структуре на шунгит.
Последнее время у недобросовестных производителей участились случаи продажи под маркой шунгит шунгизита, - материала, внешне схожего, а по свойствам ничем не похожего на шунгит. Цена на него намного ниже, но содержание всех компонентов, в том числе углерод (в структуре фуллеренов) в шунгизите в несколько раз меньше (меньше 10%), чем в шунгите (от 26% и выше).
Отличить подделку от оригинала на первый взгляд сложно даже специалисту. Существует один простой, но самый надёжный способ отличить настоящий шунгит от подделки. Настоящий шунгит можно очень легко отличить от подделки, а также от шунгитового сланца благодаря наличию свойства электропроводимости.
Электропроводимость - крайне редкое явление в каменных породах. В обычных условиях достаточно иметь обычную батарейку, лампочку от карманного фонаря и два провода. Соедините последовательно лампочку и батарейку, прикоснитесь двумя проводками к любому изделию из шунгита - лампочка загорится. Если нет – то вы приобрели подделку.
