الباليغورسكيت والسبيوليت
باليغورسكيت وسبيوليت
Palygorskite and sepiolite -
فلاح أبو نقطة
الباليغورسكيت palygorskite والسبيوليت sepiolite فلزات minerals تساهم في تركيب التربة الطينية في مواقع مختلفة من العالم وهي سليكات ورقية phyllosilicates، تتألف من صفائح رباعية السطوح (الوجوه) tetrahedral sheets تتشارك كل منها بثلاث من ذرات أكسجينها المتوضعة في الزوايا القاعدية مع ثلاث رباعيات سطوح مجاورة مكونة صفيحة أو وريقة من الرباعيات ثنائية الأبعاد، تضم إليها صفائح من ثمانيات السطوح octahedral sheets.
كان يعرف الباليغورسكيت (الباليغو) سابقا باسم الآتابولغيت attapulgite، ومنذ عام 1967 أصبحت الأفضلية لاستعمال الاسم الجديد بديلا من الاسم السابق.
يميز الباليغو عن السبيوليت ( السبيو) استناداً إلى البنية البلورية والتركيب الكيميائي؛ فالباليغو هو سليكات مغنزيوم ألومينية alumino–Mg-silicate مع نسب متكافئة تقريباً من الألمنيوم والمغنزيوم، (الشكل 1-أ) في حين أن السبيو هو سليكات مغنزيوم لايحتوي إلا على نسبة قليلة من الألمنيوم
 |
|
الشكل (1 -أ) مخطط بنية الباليغورسكيت |
(الشكل 1 -ب). ويقع هذان الفلزان في مكان متوسط بين تحت مجموعة ثنائية ثمانية السطوح dioctahedral وثلاثية ثمانية السطوح trioctahedral حيث يمتلئ ثلثا الفراغات بالكاتيونات المناسبة في الحالة الأولى في حين تمتلئ جميع الفراغات في الحالة الثانية؛ ففي الثنائية توجد ذرتان من الألمنيوم في حين توجد ثلاث ذرات من المغنزيوم أو الحديد الثنائي في الثلاثية وذلك في كل وحدة صيغة formula unit، ويمكن أن يكون هذا سبباً في المظاهر الليفية في هذين الفلزين؛ وتنتج هذه المظاهر عن استطالة السلاسل المفردة موازية للمحور البلوري C، وتتألف الألياف من تناوب أشرطة عريضة ribbons ذوات بنية بلورية من
نمط 1:2.
 |
|
الشكل (1 -ب) مخطط السبيوليت |
ويبدو كأن الفلز الأول يتألف من تجاور سلسلتين بيروكسينيتين، في حين يبدو الثاني كأنه مؤلف من تجاور ثلاث سلاسل بيروكسينية. ومع أن صفائح رباعيات السطوح تكون متصلة إلا أن قمم الشرائط المتجاورة تكون باتجاهات متعاكسة. وتؤدي هذه البنية إلى تكوين مستويات من الذرات بشكل سلاسل رباعيات السطوح مشغولة بصورة رئيسة بذرات السيليسيوم تتعاقب مع سلاسل من ثمانيات السطوح مشغولة بالمقام الأول بذرات المغنزيوم أو الألمنيوم لتشكل قنوات مفتوحة ومتصلة ذات أبعاد محددة على امتداد تلك الأشرطة.
يبلغ مقدار المقطع العرضي لتلك القنوات في الباليغو 0.38 × 0.63 نانو متر، في حين يبلغ نحو 0.38 × 0.94 نانو متر في السبيو؛ تحتوي تلك القنوات على الكاتيونات المختلفة وجزيئات الماء، وإن نحو نصف جزيئات الماء تقع مجاورة لسلسلة ثمانيات السطوح لكي تعادل متطلبات التناسق فيها، في حين يشغل القسم المتبقي من جزيئات الماء مواقع محددة في هذه القنوات ما يعطي هذه الفلزات الخصائص الزيوليتية zeolitic.
التركيب العنصري elemental composition:
إن الصيغة البنيوية المثالية للباليغورسكيت هي الآتية:
 |
أما الصيغة الأوسع انتشاراً وقبولاً للسبيوليت فهي:
 |
وان التركيب الكيميائي لهذين الفلزين هو قريب من بعض أنواع مجموعة غضار السمكتيت smectite على الرغم من أنه متغير نسبياً، الجدول (1).
| الجدول (1) التركيب الكيميائي لفلزي الباليغورسكيت والسبيوليت | |||||
|
الفلز |
SiO2 |
MgO |
Al2O3 |
Fe2O3 |
H2O |
|
الباليغورسكيت |
55 |
15-6 |
15-6 |
5-2 |
20 |
|
السبيوليت |
58-46 |
25-15 |
<1 |
<5 |
20 |
يحتوي الباليغو على ثماني وحدات من رباعيات السطوح وخمس وحدات من ثمانيات السطوح في كل خلية بلورية، ويؤلف الألمنيوم 28 - 59 % في تلك الوحدات في حين يشغل المغنزيوم 29 - 76 % منها. أما في السبيوليت فإن 90 - 100 % من ثمانيات السطوح تكون مشغولة بالمغنزيوم.
إن عمليات الإحلال التبادلي في صفائح رباعيات السطوح في الفلزين المذكورين تبقى غير مهمة، وأن نقص الشحنة الناتج عن عمليات الإحلال هذه يمكن أن يتوازن عموماً بواسطة إحلال مكان إيونات المغنزيوم إيونات ثلاثية التكافؤ مثل الحديد الثلاثي وذلك في صفيحة ثمانية السطوح.
التحليل بأشعة إكس X-ray analysis:
إن الانعراج الأعظمي لأشعة إكس في الباليغو يكون شديد الانعكاس عند الزاوية المقابلة لمسافة بين المستويات البلورية البالغة 1.05 نانو متر ومعتدلاً عند انعكاسات متعددة تبدأ عند 0.64 حتى 0.22 نانو متراً، في حين يكون الانعكاس شديداً في السبيو عند 1,22 نانو متراً، ومعتدلاً عند عدة انعكاسات تبدأ عند 0,45 وتنتهي عند 0,32 نانو متراً مع قمة منتشرة (كتف) عند 0,76 و0,505 نانو متر (الشكل2). ولا تتغير قمم الانعكاس في هذين الفلزين حين تغير الرطوبة النسبية المحيطة أو عند إضافة جزيئات من سوائل قطبية عضوية مثل الإتلين غليكول أو الغليسرول.
 |
| الشكل (2) انعراج أشعة إكس للباليغورسكيت والسبيوليت |
يؤثر تسخين الباليغو في درجة حرارة 210 °س مدة ساعة واحدة في خفض شدة الانعكاسات في قمم محددة في حين تزداد تلك الشدة في قمم أخرى. وبالآلية ذاتها تتغير شدة الانعكاسات زيادة أو نقصاً حين التسخين في درجة حرارة 300 °س، وينعدم الانعكاس بصورة تامة عند 1,05 نانو متر عند التسخين في درجة حرارة 600 °س في حين تزداد شدة الانعكاس في قمم أخرى؛ ويكون سلوك انعكاس الأشعة السينية في السبيو في أثناء تسخينه مغايراً لما هو في الباليغو مما يسهل التمييز بين هذين الفلزين.
التحليل الحراري thermal analysis:
يظهر التحليل الحراري التفاضلي لكل من فلزي الباليغو والسبيو (الشكل 3) حدوث نزع الماء dehydration في أربع مراحل، وتترافق تلك المراحل بفقد الماء بحالاته الآتية:
1– ماء الرطوبة hygroscopic water،
2- الماء الزيوليتي zeolitic water من بين القنوات،
3- الماء البنيوي structural water والمرتبط بحافات صفائح ثمانيات السطوح،
4- مجموعات الهدروكسيل المرتبطة بصفائح الثمانيات.
 |
|
الشكل (3) منحنيات التحليل التفاضلي الحراري |
تحتوي منحنيات التحليل الحراري التفاضلي differential thermal analysis للباليغو على أربعة منحنيات ماصة للحرارة endotherms في مجال درجات الحرارة الآتية: 690-770 °س, 350-540 °س, 210-325 °س,80-120 °س، مع قمة واحده حادة ناشرة للحرارة exotherm في درجة حرارة قريبة من 925 °س.
وللسبيوليت السلوك الحراري ذاته مع اختلاف درجات الحرارة التي يحدث حينها امتصاص للحرارة أو نشر لها. ويبين التحليل الحراري الوزني فقداً سريعاً أولياً في وزن كل من الفلزين، (الشكل 4). وحين ارتفاع درجة الحرارة فإن الباليغورسكيت يفقد في بدايات التسخين وزناً أكثر قياساً بالسبيوليت، وتعمل زيادة التسخين على فقد الهدروكسيل البنيوي.
 |
| الشكل (4) منحنيات التحليل الحراري الوزني |
التحليل بالأشعة تحت الحمراء infrared analysis:
يظهر الباليغو حزماً (نطاقات) bands حادة من امتصاص الأطياف تحت الحمراء تتناوب مع عدد من الأكتاف (بداية الهبوط) عند أطوال موجات محددة، (الشكل 5) وهي تختلف عما هي عليه في السبيوليت.
 |
| الشكل (5) طيوف امتصاص الأشعة تحت الحمراء |
تبدو الطبيعة الليفية لهذين الفلزين واضحة بجلاء في صور المجهر الإلكتروني، وتعد صفة تشخيصية نوعية، (الشكل 6)، وإن الألياف الناتجة عن حزم من العصيات تكون صلبة نسبياً وموجهة عشوائياً، ويمكن تمييز نوعين من الباليغورسكيت أحدهما طويل الألياف والثاني قصيرها. يبلغ طول الليف القصير نحو 1 ميكرومتر، ويمكن أن يحتوي نسبة أعلى من الحديد، وهو أكثر انتشاراً في الترب وبعض الترسبات الشائعة. وفي كثير من الأحيان تنثني الألياف المفردة مكونة كتلة مجمعة تظهر بصورة نسيجية. كما يمكن تمييز السبيوليت إلى نوعين: ألفا (α) يحتوي على حزم من العصيات أو الشرائح الطويلة، والنوع بيتا (β) الذي يتألف من مجمعات كثيفة تحتوي على قليل من الجسيمات أو الدقائق المتطاولة، وقد دلت بعض الدراسات على أن أبعاد السبيوليت هي 40X 250X 8.000 أنغستروم، ومثلها تقريباً بالنسبة للباليغورسكيت.
 |
| (أ) |
 |
| (ب) الشكل (6) صور المجهر الإلكتروني: (أ) للباليغورسكيت، (ب) السبيوليت |
الامتداد الجغرافي geographic extent:
تنتشر رسوبيات الباليغورسكيت والسيبوليت على نطاق تجاري في مناطق متعددة في العالم مترافقة والرسوبيات غير الحطامية ولا سيما الرسوبيات الكيميائية مثل الصخور الكلسية، والأُبال والصوَان والفسفات. كما تظهر رسوبيات واسعة من هذين الفلزين في الرسوبيات البحرية لعصر الميوسين (الثلثي الأوسط) Miocene-age في جورجيا وفلوريدا وجنوب غرب الولايات المتحدة، وكذلك في جنوب إفريقيا وأوكرانيا وفي كوينلاند بأستراليا.
توصف التوضعات الرسوبية التي تحتوي على الباليغورسكيت أو السبيوليت أو كليهما بأنها تكونت أو تتكون في مياه البحر العادية، وفي مياه مفرطة الملوحة سواء أكانت بحرية أم غير بحرية وكذلك في مياه البحيرات العذبة، غير أن انتشارها يكون واسعاً في الرسوبيات البحرية.
إن وجود هذين الفلزين نادر نسبياً في التربة السطحية Sola، وهي توجد بصورة رئيسة في الظروف القلوية وفي وجود الأملاح الذائبة والسيليسيوم (السليكون) الحر، وقد عُثر على السبيوليت الألوميني في تربة مالحة Solonchaks سيئة الصرف في أستراليا وكان متطوراً في صخر المارل marl. كما لوحظ وجود الباليغورسكيت في ترب البادية السورية الجافة النموذجية Orthids من أوائل خمسينيات القرن الماضي، وفي الترب الرمادية القرفية gray-cinnamon soil جنوب شرقي محافظة درعا على الحدود الأردنية منذ عام 1982، وفي تلك التربة كان الباليغورسكيت هو الفلز السيليكاتي السائد في الأفق الكلسي على عمق نحو 60سم، وتزداد نسبته في ترب المناخات الجافة. ويمكن الاعتماد على وجود الباليغورسكيت لوضع الحدود الفاصلة بين نظام التربة الرطوبي القاحل aridic moisture regim الذي ينتشر هذا الفلز في تربه ونظام التربة الرطوبي الجفافي أو المتوسطي Xeric M.R. الذي لا يساعد على تكوين هذا الفلز. وينتشر الفلزان عادة في الترب الكلسية أينما وجدت، ويظهر أن وجودهما يعود بالدرجة الأولى إلى انحدارهما من مواد الأصل وليس نتيجة للعمليات البيولوجية في التربة. يترسب الفلزان كيميائياً ويتبلوران في الرسوبيات القلوية بوجود مقادير كبيرة من السليكون Si والمغنزيوم Mg. ويبقى الفلزان ثابتين فقط في تلك الظروف إلا أنهما يكونان قابلين للتفكك والغسل في معظم الترب، ولا سيما في المناخات المطيرة، ويسهل تحول الباليغورسكيت بسرعة كبيرة إلى مونتموريونيت. وإن ثبات هذين الفلزين في التربة مرتبط بانخفاض تركيز الهدرونيوم H3O، والألمنيوم وارتفاع تركيز السليكون والمنغنزيوم.
توازن الوسط المحيط وشروط التكوين: استناداً إلى تحليل التتابع (التعاقب) الجيوكيميائي لأحواض العصر الثلاثي في غرب إفريقيا، يلاحظ تكون المونتموريونيت قريباً من شاطئ البحر، يليه الباليغورسكيت، وأخيراً السبيوليت في عمق البحر، ولم يلاحظ تقلص النسبة Al/Mg حين الانتقال من المونتموريونيت إلى السبيوليت وهو الأكثر غنى بالمغنزيوم. إن لهذه النسبة، وكذلك لنوعية المعادن المتكونة، علاقة وثيقة بنوعية الرسوبيات التي تختلف تبعاً لموقعها من الشاطئ. وبما أن الألمنيوم عنصر مهم في تكوين معادن السليكات فإنه يوجِّه المستجدات لتكوين المونتموريونيت، وحينما ينخفض تركيز الألمنيوم يحل الباليغورسكيت بدلاً من المونتموريونيت، وحين يوجد المغنزيوم وحيداً يتكون السبيوليت، وكلما ازدادت نسبة الألمنيوم في الفلز ازداد ثباته وبقاؤه، وحينما تزداد نسبة المغنزيوم في الفلز تزداد حركته وغسله.
يمكن اصطناع السبيوليت مخبرياً في درجة الحرارة العادية عبر معاملة محلول مشبع من السليكا عديمة الشكل (الأمورفية) amorphic أو غير البلورية بتراكيز مختلفة من محلول كلوريد المغنزيوم وإضافة هدروكسيد الصوديوم NaOH، وإن إضافة الألمنيوم إلى تلك المنظومة يمنع تكون السبيوليت وقد يتكون الباليغورسكيت.
يزداد تكون السبيوليت في الأوساط الغنية بالسيليسيوم والمفرطة الملوحة، وبوجود الألمنيوم يتكون السبيوليت أو الباليغورسكيت نتيجة لدخول المغنزيوم في بنية السليكات الألومينية.
وفي الخلاصة فإن تكون الفلزين المذكورين وبقاؤهما يمكن أن ينشط بوجود باهاء pH عالية (10-8) ونشاط عال لكل من Si4+ وMg2+ وانخفاض لنشاط Al3+ أو غيابه.
إن سعة التبادل الكاتيوني (CEC) cation exchange capacity هي أهم ما يميز الباليغورسكيت والسبيوليت وهي تقع على التوالي بين 30-5 و45-20م ميلي مكافئ /100 غرام، على التوالي. وتتغير سعة التبادل تلك تبعاً للباهاءـpH ولحجم دقائق الفلز، وإن تفكك dissociation البوتاسيوم والكلسيوم من الباليغورسكيت هي الأعلى مما هي في أي فلز آخر.
يتحلل السبيوليت بسهولة في الوسط الحامضي، في حين يبقى الباليغورسكيت أكثر ثباتاً ومقاومة، وحين معاملة الفلزين بكمية زائدة من حمض كلور الماء فإن ثوابت معدل التفاعل تكون كالآتي Mg>Fe>Al. إن ثابتة معدل التفاعل reaction rate constant للمنغنزيوم في السبيوليت هي أكبر بنحو 240 مرة مما هي في الباليغورسكيت.
نتيجة للرزم المفتوح للألياف فإن مساحة السطح الخارجي لهذين الفلزين هي كبيرة كفاية، إذ تبلغ 140م2/غ في الباليغورسكيت و392 م2 /غ في السبيوليت، غير أن تلك المساحات تتغير بدرجة كبيرة زيادة أو نقصاً تبعاً لطريقة التحليل.
تؤدي الطبيعة الليفية للسبيوليت إلى تكوين مجمعات مسامية في عينات بعض الترب، وازدياد سعتها المائية واحتفاظها به، إذ يبلغ المحتوى الرطوبي عند ضغط شدّي15 باراً 1.32 غ ماء /غ غضار أو
0.33 غ ماء / غ تربة.
إن الفلزين المذكورين نادرا الوجود نسبياً في التربة، ويوجدان عموماً في الترب ذات الباهاء pH العالية أو عندما يكون انتشار التجوية الحامضية محدوداً، وهما عادة يترافقان ويرتبطان بوجود الكربونات. وعلى الرغم من أن وجودهما في الرسوبيات الجيولوجية هو شائع إلا أن عوامل تكوين التربة غالباً ما تؤدي إلى إذابتهما وغسلهما. وعموماً فإن تكوين هذين الفلزين يتطلب وجود تركيز منخفض من الحديد. كما يتطلب تكوين السبيوليت وجود تركيز عال من المغنزيوم ومحتوى منخفض من الألمنيوم. وإن الترب المحتوية على هذين الفلزين تمتلك خصائص فريدة، أهمها السعة المائية العالية للتربة الغنية بالسبيوليت. وإن معاملة التربة الكلسية وتحضيرها للتحاليل الفلزية المخبرية الأكثر شيوعاً حتى اليوم، قد تؤدي إلى ضياع مقادير مهمة من هذه الفلزين.
التطبيقات الصناعية والتكنولوجية
يقدر الإنتاج السنوي من الباليغورسكيت في العالم بنحو مليوني طن، ويأتي الإنتاج أساساً من جنوب شرقي الولايات المتحدة الأمريكية وبعض الدول مثل إسبانيا والسنغال وأستراليا والهند وتركيا وجنوب إفريقيا وفرنسا، وأما السبيوليت فهو أقل وفرة من الباليغورسكيت ويتم إنتاج 90 % منه في إسبانيا (800,000 طن سنوياً).
تأتي الأهمية الصناعية لهذين الفلزين من سعة التبادل الكاتيونية العالية لهما ومن مقدرتهما العالية على التشرب (الادمصاص والامتصاص)، وكذلك صفاتهما التحفيزية. وتشكل هذه الصفات الأساس لكثير من الاستعمالات الصناعية والتطبيقات التكنولوجية. يستعمل هذان الفلزان في عمليات التنقيب عن النفط لتنظيف الشحوم والنفط والمياه والكيميائيات والمواد الأخرى غير المرغوب فيها في المصانع ومحطات توليد الكهرباء وورش الإصلاح وحظائر صيانة الطائرات، وغيرها كما يُستخدمان حوامل للمواد الكيميائية من مبيدات أعشاب وآفات وعوامل مبيّضة (مُبيض) الزيوت والبارافينات والشحوم والزبدة والخمور وفي صناعة الدهانات والمواد اللاصقة ومانعات التسرب ومعلقات الأسمدة ومستحضرات التجميل. يشكل إنتاج الباليغورسكيت والسبيوليت وتصنيعهما خطراً على العمال عند استنشاقهم لألياف هذين الفلزين إذ يمكن أن يسببا تدرن الرئة كما هي الحال في الأسبستوس.
|
مراجع للاستزادة: - حسن حبيب، عبد الرحمن السفرجلاني، مينرالوجيا التربة، جامعة دمشق، 2009. - فلاح أبو نقطة، أساسيات في علم التربة، جامعة دمشق، كلية الزراعة 2004. - J.B. Dixon, S.B. Weed, Minerals in Soil Environments. SSSA. Madison WI, 1988. - T.A. Sokolova, T.Y. Dronova and I.I. Tolpeshta. Clay Minerals in Soils. Tyla : Grif 2005. - L.W, Zelazny and F.G.Calhoun. Palygorskite, Sepiolite, Talc, Pyrophyllite and Zeolites, in Minerals in Soil Environments; Dixon J.B co-editor, SSSA Madison, WI USA 1989. |
- التصنيف : علوم البيئة والتنوع الحيوي - النوع : علوم البيئة والتنوع الحيوي - المجلد : المجلد الرابع مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
