eng
Шунгит – природный сорбент, промежуточный продукт между аморфным углеродом и графитом. Шунгитовый углерод – окаменевшее фуллереносодержащее вещество органических донных отложений высокого уровня карбонизации. Шунгитовые породы имеют широкий спектр свойств. Это позволяет надеяться на новые области их применения.
Теги: fullerene level of carbonization mineral sorbent shungite structure минеральный сорбент структура уровень карбонизации фуллерен шунгит
Целесообразно рассмотреть вопросы применения важных компонентов шунгита – фуллеренов. Их особенность состоит в том, что атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность графитовой сферы или эллипсоида и образующих замкнутые многогранники, состоящие из четного числа атомов углерода в состоянии sp2-гибридизации. Такие атомы связаны между собой ковалентной С–С-связью, длина которой в пятиугольнике – 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм [1]. Молекулы фуллеренов могут содержать 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70… атомов углерода (рис.1). Фуллерены с количеством таких атомов меньше 60 неустойчивы. Высшие фуллерены с числом атомов углерода более 400 образуются в незначительных количествах и часто имеют довольно сложную изомерию.
Фуллерены перспективны для использования в нанотехнологиях, микроэлектронике, медицине, космической и военной технике, в машиностроении, при производстве технической продукции, сталей и сплавов, строительных, огнеупорных материалов, красок, тонкодисперсных порошков, в водоочистке, в качестве носителей лекарственных препаратов. На основе фуллеренов разработаны противовирусные и противораковые препараты, введение которых в организм позволит избирательно воздействовать на пораженные клетки, противодействуя их размножению. Основное препятствие при использовании синтетических фуллеренов – их высокая стоимость, которая в зависимости от качества и степени чистоты этих материалов составляет от 100 до 900 долл. за 1 г, поэтому поиск природных фуллереносодержащих минералов – перспективное направление современных исследований. К таким материалам, в частности, относится шунгит.
Структурные свойства и состав шунгита
По структуре шунгит представляет собой аллотропную форму углерода [2]. В его состав кроме углерода входят SiO2 – 57,0; TiO2 – 0,2; Al2O3 – 4,0; FeO – 6; Fe2O3 – 1,49; MgO – 1,2; MnO – 0,15; К2О – 1,5; S – 1,2 мас.%. Плотность шунгита составляет 2,1–2,4 г/см3; пористость – до 5%; прочность на сжатие – 100–120 МПа; коэффициенты электро- и теплопроводности – 1500 См/м и 3,8 Вт/мК, соответственно; адсорбционная емкость до 20 м2/г [3].
Шунгиты различаются по основе (алюмосиликатные, кремнистые, карбонатные) и количеству шунгитового углерода. Породы с силикатной основой по содержанию углерода (мас.%) подразделяются на низко- (менее 5), средне- (5–25) и высокоуглеродистые – (25–80% углерода) шунгиты (рис.2).
Кристаллы тонкомолотого шунгита обладают выраженными биполярными свойствами – они имеют высокий уровень адгезии и смешиваются практически со всеми веществами. Кроме этого, шунгит адсорбционно активен по отношению к некоторым бактериальным клеткам, фагам, патогенным сапрофитам [4]. Это объясняется наноструктурой и составом образующих его элементов – углерод равномерно распределен в каркасе из мелкодисперсных кристаллов кварца размером 1–10 мкм [5], что подтверждено исследованиями ультратонких шлифов шунгита с использование растровой электронной микроскопии в поглощенных и обратно рассеянных электронах (см. рис.2).
Шунгитовое углеродное вещество – продукт высокой степени карбонизации состава (мас.%): С – 98,6–99,6; Н – 0,15–0,5; (Н + О) – 0,15–0,9. Рентгеноструктурные исследования показали, что оно представляет собой твердый углерод, который находится в различных состояниях: максимально разупорядоченном, близком к графиту, газовой саже, стеклоуглероду [6]. Основу составляют полые, многослойные фуллереноподобные сферические глобулы диаметром 10–30 нм, содержащие пакеты охватывающих нанопоры плавно изогнутых углеродных слоев (рис.3, 4). Такие глобулы могут содержать от десятков до нескольких сотен атомов углерода и различаться по форме и размеру [7, 8].
Применение материалов
на основе шунгита
В углеродистом веществе шунгитовых пород выявлен ряд фуллеренов, в частности, С60, С70, С74, С76, С84, а также обособленные и связанные с минералами фуллереноподобные структуры. Описаны трубчатые разновидности углеродных фуллереноподобных кластеров – нанотрубки и пленочные формы. Благодаря сетчато-шарообразному строению природные фуллерены – идеальные сорбенты и наполнители.
Именно поэтому первоначально шунгит использовался в качестве наполнителя резины и заменителя кокса в доменном производстве высококремнистого литейного чугуна, при выплавке ферросплавов, для изготовления термоустойчивых красок и антипригарных покрытий. Впоследствии обнаружились его сорбционные, бактерицидные, каталитические, восстановительные свойства, а также биологическая активность, способность экранировать радио- и электромагнитное излучения. Это создало реальные предпосылки для применения шунгита в различных отраслях науки, промышленности и техники для создания на его основе материалов с наномолекулярной структурой.
В частности, природный шунгит характеризуется рядом интересных свойств, что открывает широкие перспективы его использования как фильтрующего материала при очистке воды от загрязнений. В числе таких свойств:
• высокая адсорбционная способность и технологичность;
• механическая прочность;
• коррозионная устойчивость;
• способность к сорбции органических и неорганических веществ;
• каталитическая активность;
• сравнительно низкая стоимость;
• экологическая чистота и безопасность.
Шунгит абсорбирует на поверхности до 95% загрязнителей, включая хлорорганические соединения, фенолы, диоксины, тяжелые металлы, радионуклиды, устраняет мутность и цветность, придает воде хорошие органолептические качества, насыщает ее микро- и макроэлементами. В России фильтры для очистки воды на основе шунгита разрабатываются с 1995 года. В настоящее время на рынке присутствует ряд крупных отечественных производителей таких бытовых и промышленных изделий.
Кроме того, благодаря сорбционной активности по отношению к патогенной микрофлоре, шунгит имеет ярко выраженные бактерицидные свойства, что позволяет проводить с его использованием эффективное обеззараживание питьевой воды. Отмечена, в частности, бактерицидная активность шунгита по отношению к патогенным сапрофитам и простейшим. При добавлении к шунгиту других природных сорбентов (кремень, доломит, глауконит) очищаемая вода обогащается до физиологически оптимальных значений кальцием, магнием, кремнием и гидрокарбонатами. Известно также, что вода, выходящая из шунгитовых пластов, оказывает общее оздоравливающее воздействие на организм. Она эффективна при вегетососудистой дистонии. Ею лечат многие заболевания, включая дерматологические, аллергические, болезни суставов желудочно-кишечного тракта, камни в почках [9, 10]. Обсуждаются идеи создания лекарственных носителей на основе шунгита.
Наличие в шунгите фуллереноподобных молекул и электропроводящие свойства пород позволяют создавать на их основе экранируемые помещения, защиту от воздействия различных излучений, материалы, снижающие воздействие электромагнитного излучения частотой 10–30 ГГц и электрических полей частотой 50 Гц. На основе этих материалов разработаны также электронагреватели.
Открываются новые перспективы использования шунгита в машиностроении – производство минеральных добавок и смазок, в строительстве – создание экологически чистых материалов, например, бетонов, асфальтов, кирпичей, штукатурных растворов и смесей, в электроснабжении – красок, формирующих электропроводные поверхности. Он также используются в качестве наполнителя полимерных материалов и резин, заменителей сажи.
Шунгит, благодаря своей структуре и составу, обладает высокой окислительно-восстановительной активностью, широким спектром каталитических свойств. Это позволяет эффективно использовать его, в частности, в металлургии. В доменном производстве чугунов 1 т шунгита заменяет 1,3 т кокса. Минерал используется в производстве фосфора, карбида (SiC) и нитрида (Si3N4) кремния.
На основе шунгита создаются препараты, обладающие выраженной биологической активностью. Применение их минеральных добавок в сельском хозяйстве способствует снижению кислотности почвы и более длительному (в 2–2,5 раза) сохранению в ней влажности, что положительно влияет на продуктивность сельскохозяйственных культур.
При тонком диспергировании шунгитов получаются порошки, хорошо смешивающиеся с органическими и неорганическими веществами. Это позволяет использовать их в качестве черного пигмента красок на различной основе (масляных и водных), наполнителей полимерных материалов (полиэтилена, полипропилена, фторопласта), заменителей технического углерода в ряде производств. Получаемый из шунгита искусственный пористый материал шунгизит применяется в качестве теплоизоляционной композиции и наполнителя легких шунгизитбетонов.
В целом важно отметить, что эффективность использования шунгита в различных отраслях объясняется высоким спектром ценных свойств и экологичностью, невысокой стоимостью изготавливаемых материалов и технологий их получения, наличием обширной сырьевой базы. Лимитирующим фактором остается чрезвычайно низкий процент содержания в шунгите фуллеренов.
Литература
Шпилевский М.Э., Шпилевский Э.М., Стельмах В.Ф. Фуллерены и фуллереноподобные структуры. – Инженерно-физический журнал, 2001, т.76, №6, с.25–28.
Волкова И.Б., Богданова М.В. Шунгиты Карелии. – Сов. геология, 1985, №10, с.93–100.
Парфенева Л.С., Волконская Т.И., Тихонов В.В. Теплопроводность, теплоемкость и термоЭДС шунгитового углерода. – Физика твердого тела, 1994, т.36, №4, с.1150–1153.
Хадарцев А.А., Туктамышев И.Ш. Шунгиты в медицинских технологиях. – Вестник новых медицинских технологий, 2002, т.9, №2,
с.83–86.
Юшкин Н.П. Глобулярная надмолекулярная структура шунгита: данные растровой туннельной микроскопии. – Доклады Академии наук CCCP, 1994, т.337, №6, с.800–803.
Касаточкин В.И., Элизен В.М., Мельничен-
ко В.М., Юрковский И.М., Самойлов B.C. Субмикропористая структура шунгита. – Химия твердого топлива, 1978, №3, с.17–21.
Голубев Е.А. Локальные надмолекулярные структуры шунгитового углерода. / Труды междун. симп. "Углеродсодержащие формации в геологической истории". – Петрозаводск: Изд-во Карельского НЦ РАН, 2000, с.106–110.
Резников В.А., Полеховский Ю.С. Аморфный шунгитовый углерод – естественная среда образования фуллеренов. – Письма в ЖТФ, 2000, т.26, вып.15, с.94–102.
Мосин О.В. Новый природный минеральный сорбент – шунгит. – Сантехника, 2011, №3,
с.34–361.
Пиотровский Л.Б. Фуллерены в биологии и медицине: проблемы и перспективы. Сб. статей "Фундаментальные направления молекулярной медицины" – Спб.: Росток, 2005, с.195–268.
It is reasonable to consider questions of application of important structural components of shungite – fullerenes. Their special feature is in the fact that atoms of carbon are located in corners of regular hexagons and pentagons, making a surface of a graphite sphere or an ellipsoid and forming closed polyhedrons, consisting of even number of atoms of carbon in a sp2-hybridization state. Such atoms are bonded to each other by a covalent С-С bond, and a corresponding distance (between atoms) in a pentagon – 0.143 nm, and in a hexagon – 0.139 nm [1]. Molecules of fullerene can contain 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70 … atoms of carbon (Fig.1). Fullerenes with number of such atoms less than 60 are unstable. Higher fullerenes with number of atoms of carbon more than 400 exist in small amount and often they are characterized by complex enough isomerism.
Fullerenes are promising for use in nanotechnologies, microelectronics, medicine, space and military engineering, in mechanical engineering, production of equipment, steels and alloys, building, refractory materials, paints, fine-dispersed powders, in water purification, in medicine (as carriers of drugs). On the basis of fullerenes scientists have developed viricides and anticancer preparations, use of which will allow to influence selectively on affected cells, counteracting their reproduction. The basic hindrance at use of synthetic fullerenes – their high cost, which depending on quality and purity of these materials makes from 100 to 900 US dollars for 1 g, so search for natural fullerene-containing minerals is a perspective direction of modern research. Shungite is one of such minerals.
Structural properties and content of shungite
The structure of shungite represents itself an allotropic form of carbon [2]. Besides carbon it contains the following substances: SiO2 – 57.0; TiO2 – 0.2; Al2O3 – 4.0; FeO – 6; Fe2O3 – 1.49; MgO – 1.2; MnO – 0.15; К2О – 1.5; S – 1.2 ( mass.%). Density of shungite is equal to 2.1 – 2.4 g/cm3; porosity – up to 5%; compression strength – 100-120 MPa; coefficients of electrical conductivity and thermal conduction – 1500 Cm/m and 3.8 W/(m·K), correspondingly; adsorption capacity – up to 20 m2/g [3].
Shungites differ by their basis (silica-alumina, siliceous, carbonate) and amount of shungite carbon. Minerals with a silicate basis by carbon content (mass %) are divided into low- (less than 5% of carbon), middle- (5-25% of carbon) and high-carbon – (25-80% of carbon) shungites (Fig.2).
Crystals of shungite fine powder have brightly expressed bipolar properties – they have a high level of adhesion and can be easy mixed practically with all substances. More over, shungite demonstrates adsorption activity to some bacterial cells, phages, pathogenic saprophytes [4]. It can be explained by its nanostructure and content of structural elements – carbon is uniformly distributed in a skeleton of fine-dispersed crystals of quartz with size of 1-10 microns [5], that is confirmed by analysis of ultra-thin slices of shungite with use of scanning electron microscopy (SEM) on the basis of calculation of absorbed and back-scattered electrons (Fig.2).
Shungite carbon mineral is a highly-carbonated product, containing (in % by mass): C – 98.6- 99.6; Н – 0.15-0.5; (Н + O) – 0.15-0.9. X-ray diffraction examinations have demonstrated that it represents hard carbon, which is in various states: maximum disordered, close to graphite, gas black, glass carbon [6]. The basis represents itself hollow, multilayer fullerene-like spherical globules with a diameter of 10-30 nm, containing packages of smoothly curved carbon layers, enveloping nanopores (Fig.3, 4). Such globules can contain from tens to several hundreds of atoms of carbon and differ by their form and size [7, 8].
Application of materials on the basis of shungite
In carbon substance of shungite minerals there is a series of fullerenes, in particular, С60, С70, С74, С76, С84, and also isolated and bound with minerals fullerene-like structures. Tubular varieties of carbon fullerene-like clusters (nanotubes) and also film forms are discovered. Due to a mesh-spherical structure, natural fullerenes are ideal sorbents and fillers.
For this reason originally shungite was used as a filling compound of rubber and coke substitute in blast-furnace production of high-silicon foundry iron, at ferroalloys melting, for production of thermo-resistant paints and non-stick coating. Later on its sorption, bactericide, catalytic, regenerative properties, and also biological activity, ability to screen electromagnetic and radio waves were also discovered. It has created real backgrounds for application of shungite in various branches of science, industry and engineering for creation (on its basis) of materials with nano-molecular structure.
In particular, natural shungite is characterized by a series of interesting properties, which are promising for its use as a filtrating material at water purification. Among such properties:
• high adsorption capacity and technological effectiveness,
• mechanical strength,
• corrosion resistance,
• ability to sorption of organic and inorganic substance,
• catalytic activity;
• relatively low cost;
• ecological purity and safety.
Shungite absorbs on its surface up to 95% of pollutants, including chloroorganic compounds, phenols, dioxins, heavy metals, radionuclides, removes turbidity and color of water, gives to water good organoleptic properties, fills it with micro- and macroelements. In Russia filters for water purification on the basis of shungite are developed since 1995. Currently in the market there is a whole series of large domestic producers of such household and industrial filters.
More over, due to sorption activity to pathogenic microflora, shungite has strongly pronounced bactericide properties, that allows to disinfect potable water efficiently enough, using this mineral. In particular, scientists underline bactericide activity of shungite to pathogenic saprophytes and protozoa. At addition to shungite of other natural sorbents (flint, dolomite, glauconite) purified water is enriched to physiologically optimum values with calcium, magnesium, silicon and hydrocarbonates. It is known also that water outgoing from shungite beds renders general health-improving influence on a human organism. It is efficient for medical treatment at vegeto-vascular dystonia. It also can be used at many diseases, including dermatological, allergic, joint diseases, diseases of gastrointestinal tract, kidney stones diseases [9, 10]. Specialists discuss ideas of creation of medical carriers of drugs on the basis of shungite.
Presence in shungite of fullerene-like molecules and electroconductive properties of such minerals allows to create on their basis screened rooms, protection against influence of various radio waves, electroconductive materials, reducing influence action of electromagnetic radiation with frequency of 10-30 GHz and electric fields with frequency of 50 Hz. On the basis of these materials electro-heaters are developed yet.
New possibilities of shungite use in mechanical engineering – production of mineral additives and lubricants, in building – creation of ecological materials, for example, concrete, asphalt, bricks, plaster solutions and mixes, in power supply – paints, allowing to form electroconductive surface. They also are used as fillers of polymeric materials and rubber, soot substitutes.
Shungite, due to its specific structure and composition, has also high oxidation-reduction activity, a wide spectrum of catalytic properties. It can be used efficiently, in particular, in metallurgy. In blast-furnace ironmaking 1 ton of shungite substitutes 1.3 tons of coke. The mineral is used also in production of phosphorus, silicon carbide (SiC) and nitride (Si3N4).
On the basis of shungite there are prodused of preparations with strongly pronounced biological activity. Application of such additives in agriculture promotes lowering of acidity of soil and more long-term (2-2.5 times) moisture conservation in it, that positively influences crop capacity.
In fine-dispersed form shungite powders are mixed well with organic and inorganic substances. It allows to use them as a black colorant of paints on a different base (oil-and water-base paints), fillers of polymeric materials (polyethylene, polypropylene, fluoroplastic), substitutes of technical carbon in a series of technological processes. Created from shungite artificial porous material shungisite is applied as a heat-insulating composition and a filling compound of light shungisite-concretes.
In whole, it is important to mark out, that efficiency of shungite use in various branches is explained by a wide spectrum of its valuable properties and ecological compatibility, low cost of production of corresponding materials and technologies of their production, presence of a plentiful raw-material base. The limiting factor – extremely low content of fullerenes in shungite minerals.
Literature
Shpilevsky М.E., Shpilevsky E.М., Stelmakh V.F. Fullerenes and fullerene-like structures. – Engineering-physical Journal, 2001, v.76, №6, р.25–28 (Rus).
Volkova I.B., Bogdanova М.V. Schungites of Karelia. – Sov. Geology, 1985, №10, р.93–100 (Rus).
Parfenova L.S., Volkonskaya Т.I., Тikhonov V.V. Heat conductivity, thermal capacity and thermal e.m.f. of schungite carbon. – Solid-state physics, 1994, v.36, №4, р.1150–1153 (Rus).
Khadartsev А.А., Tuktamyshev I.Sh. Schungites in medical technologies. – Bulletin of new medical technologies, 2002, v.9, №2, р.83–86 (Rus).
Yushkin N.P. Globular supramolecular structure of schungite: data of the scanning tunnel microscopy. – Report of the Academy of Sciences of USSR, 1994, v.337, №6, р.800–803 (Rus).
Kasatochkin V. I, Elizen V. M, Melnichenko V. M, Jurkovsky I.M., Samoilov B.C. Submicroporous structure of schungite. – Chemistry of solid fuel., 1978, №3, р.17–21 (Rus).
Golubev E.A. Local supramolecular structures of schungite carbon. / Works of inter. symp. Carbon-containing formations in geological history. – Petrozavodsk: Publishing House of Karelian NC RAS, 2000, р.106–110 (Rus).
Reznikov V.A, Polekhovsky Yu.S. Amorphous schungite carbon as a natural environment for formation of fullerenes. – Letters in JTF, 2000,
v.26, Issue 15, р.94–102 (Rus).
Mosin O.V. A new natural mineral sorbent – schungite. – Santekhnika, 2011, №3, р.34–361 (Rus) .
Piotrovsky L.B. Fullerenes in biology and medicine: problems and prospects. Fundamental directions of molecular medicine: Compilation of articles.
St.-P.: Rostock, 2005, р.195–268 (Rus).
Фуллерены перспективны для использования в нанотехнологиях, микроэлектронике, медицине, космической и военной технике, в машиностроении, при производстве технической продукции, сталей и сплавов, строительных, огнеупорных материалов, красок, тонкодисперсных порошков, в водоочистке, в качестве носителей лекарственных препаратов. На основе фуллеренов разработаны противовирусные и противораковые препараты, введение которых в организм позволит избирательно воздействовать на пораженные клетки, противодействуя их размножению. Основное препятствие при использовании синтетических фуллеренов – их высокая стоимость, которая в зависимости от качества и степени чистоты этих материалов составляет от 100 до 900 долл. за 1 г, поэтому поиск природных фуллереносодержащих минералов – перспективное направление современных исследований. К таким материалам, в частности, относится шунгит.
Структурные свойства и состав шунгита
По структуре шунгит представляет собой аллотропную форму углерода [2]. В его состав кроме углерода входят SiO2 – 57,0; TiO2 – 0,2; Al2O3 – 4,0; FeO – 6; Fe2O3 – 1,49; MgO – 1,2; MnO – 0,15; К2О – 1,5; S – 1,2 мас.%. Плотность шунгита составляет 2,1–2,4 г/см3; пористость – до 5%; прочность на сжатие – 100–120 МПа; коэффициенты электро- и теплопроводности – 1500 См/м и 3,8 Вт/мК, соответственно; адсорбционная емкость до 20 м2/г [3].
Шунгиты различаются по основе (алюмосиликатные, кремнистые, карбонатные) и количеству шунгитового углерода. Породы с силикатной основой по содержанию углерода (мас.%) подразделяются на низко- (менее 5), средне- (5–25) и высокоуглеродистые – (25–80% углерода) шунгиты (рис.2).
Кристаллы тонкомолотого шунгита обладают выраженными биполярными свойствами – они имеют высокий уровень адгезии и смешиваются практически со всеми веществами. Кроме этого, шунгит адсорбционно активен по отношению к некоторым бактериальным клеткам, фагам, патогенным сапрофитам [4]. Это объясняется наноструктурой и составом образующих его элементов – углерод равномерно распределен в каркасе из мелкодисперсных кристаллов кварца размером 1–10 мкм [5], что подтверждено исследованиями ультратонких шлифов шунгита с использование растровой электронной микроскопии в поглощенных и обратно рассеянных электронах (см. рис.2).
Шунгитовое углеродное вещество – продукт высокой степени карбонизации состава (мас.%): С – 98,6–99,6; Н – 0,15–0,5; (Н + О) – 0,15–0,9. Рентгеноструктурные исследования показали, что оно представляет собой твердый углерод, который находится в различных состояниях: максимально разупорядоченном, близком к графиту, газовой саже, стеклоуглероду [6]. Основу составляют полые, многослойные фуллереноподобные сферические глобулы диаметром 10–30 нм, содержащие пакеты охватывающих нанопоры плавно изогнутых углеродных слоев (рис.3, 4). Такие глобулы могут содержать от десятков до нескольких сотен атомов углерода и различаться по форме и размеру [7, 8].
Применение материалов
на основе шунгита
В углеродистом веществе шунгитовых пород выявлен ряд фуллеренов, в частности, С60, С70, С74, С76, С84, а также обособленные и связанные с минералами фуллереноподобные структуры. Описаны трубчатые разновидности углеродных фуллереноподобных кластеров – нанотрубки и пленочные формы. Благодаря сетчато-шарообразному строению природные фуллерены – идеальные сорбенты и наполнители.
Именно поэтому первоначально шунгит использовался в качестве наполнителя резины и заменителя кокса в доменном производстве высококремнистого литейного чугуна, при выплавке ферросплавов, для изготовления термоустойчивых красок и антипригарных покрытий. Впоследствии обнаружились его сорбционные, бактерицидные, каталитические, восстановительные свойства, а также биологическая активность, способность экранировать радио- и электромагнитное излучения. Это создало реальные предпосылки для применения шунгита в различных отраслях науки, промышленности и техники для создания на его основе материалов с наномолекулярной структурой.
В частности, природный шунгит характеризуется рядом интересных свойств, что открывает широкие перспективы его использования как фильтрующего материала при очистке воды от загрязнений. В числе таких свойств:
• высокая адсорбционная способность и технологичность;
• механическая прочность;
• коррозионная устойчивость;
• способность к сорбции органических и неорганических веществ;
• каталитическая активность;
• сравнительно низкая стоимость;
• экологическая чистота и безопасность.
Шунгит абсорбирует на поверхности до 95% загрязнителей, включая хлорорганические соединения, фенолы, диоксины, тяжелые металлы, радионуклиды, устраняет мутность и цветность, придает воде хорошие органолептические качества, насыщает ее микро- и макроэлементами. В России фильтры для очистки воды на основе шунгита разрабатываются с 1995 года. В настоящее время на рынке присутствует ряд крупных отечественных производителей таких бытовых и промышленных изделий.
Кроме того, благодаря сорбционной активности по отношению к патогенной микрофлоре, шунгит имеет ярко выраженные бактерицидные свойства, что позволяет проводить с его использованием эффективное обеззараживание питьевой воды. Отмечена, в частности, бактерицидная активность шунгита по отношению к патогенным сапрофитам и простейшим. При добавлении к шунгиту других природных сорбентов (кремень, доломит, глауконит) очищаемая вода обогащается до физиологически оптимальных значений кальцием, магнием, кремнием и гидрокарбонатами. Известно также, что вода, выходящая из шунгитовых пластов, оказывает общее оздоравливающее воздействие на организм. Она эффективна при вегетососудистой дистонии. Ею лечат многие заболевания, включая дерматологические, аллергические, болезни суставов желудочно-кишечного тракта, камни в почках [9, 10]. Обсуждаются идеи создания лекарственных носителей на основе шунгита.
Наличие в шунгите фуллереноподобных молекул и электропроводящие свойства пород позволяют создавать на их основе экранируемые помещения, защиту от воздействия различных излучений, материалы, снижающие воздействие электромагнитного излучения частотой 10–30 ГГц и электрических полей частотой 50 Гц. На основе этих материалов разработаны также электронагреватели.
Открываются новые перспективы использования шунгита в машиностроении – производство минеральных добавок и смазок, в строительстве – создание экологически чистых материалов, например, бетонов, асфальтов, кирпичей, штукатурных растворов и смесей, в электроснабжении – красок, формирующих электропроводные поверхности. Он также используются в качестве наполнителя полимерных материалов и резин, заменителей сажи.
Шунгит, благодаря своей структуре и составу, обладает высокой окислительно-восстановительной активностью, широким спектром каталитических свойств. Это позволяет эффективно использовать его, в частности, в металлургии. В доменном производстве чугунов 1 т шунгита заменяет 1,3 т кокса. Минерал используется в производстве фосфора, карбида (SiC) и нитрида (Si3N4) кремния.
На основе шунгита создаются препараты, обладающие выраженной биологической активностью. Применение их минеральных добавок в сельском хозяйстве способствует снижению кислотности почвы и более длительному (в 2–2,5 раза) сохранению в ней влажности, что положительно влияет на продуктивность сельскохозяйственных культур.
При тонком диспергировании шунгитов получаются порошки, хорошо смешивающиеся с органическими и неорганическими веществами. Это позволяет использовать их в качестве черного пигмента красок на различной основе (масляных и водных), наполнителей полимерных материалов (полиэтилена, полипропилена, фторопласта), заменителей технического углерода в ряде производств. Получаемый из шунгита искусственный пористый материал шунгизит применяется в качестве теплоизоляционной композиции и наполнителя легких шунгизитбетонов.
В целом важно отметить, что эффективность использования шунгита в различных отраслях объясняется высоким спектром ценных свойств и экологичностью, невысокой стоимостью изготавливаемых материалов и технологий их получения, наличием обширной сырьевой базы. Лимитирующим фактором остается чрезвычайно низкий процент содержания в шунгите фуллеренов.
Литература
Шпилевский М.Э., Шпилевский Э.М., Стельмах В.Ф. Фуллерены и фуллереноподобные структуры. – Инженерно-физический журнал, 2001, т.76, №6, с.25–28.
Волкова И.Б., Богданова М.В. Шунгиты Карелии. – Сов. геология, 1985, №10, с.93–100.
Парфенева Л.С., Волконская Т.И., Тихонов В.В. Теплопроводность, теплоемкость и термоЭДС шунгитового углерода. – Физика твердого тела, 1994, т.36, №4, с.1150–1153.
Хадарцев А.А., Туктамышев И.Ш. Шунгиты в медицинских технологиях. – Вестник новых медицинских технологий, 2002, т.9, №2,
с.83–86.
Юшкин Н.П. Глобулярная надмолекулярная структура шунгита: данные растровой туннельной микроскопии. – Доклады Академии наук CCCP, 1994, т.337, №6, с.800–803.
Касаточкин В.И., Элизен В.М., Мельничен-
ко В.М., Юрковский И.М., Самойлов B.C. Субмикропористая структура шунгита. – Химия твердого топлива, 1978, №3, с.17–21.
Голубев Е.А. Локальные надмолекулярные структуры шунгитового углерода. / Труды междун. симп. "Углеродсодержащие формации в геологической истории". – Петрозаводск: Изд-во Карельского НЦ РАН, 2000, с.106–110.
Резников В.А., Полеховский Ю.С. Аморфный шунгитовый углерод – естественная среда образования фуллеренов. – Письма в ЖТФ, 2000, т.26, вып.15, с.94–102.
Мосин О.В. Новый природный минеральный сорбент – шунгит. – Сантехника, 2011, №3,
с.34–361.
Пиотровский Л.Б. Фуллерены в биологии и медицине: проблемы и перспективы. Сб. статей "Фундаментальные направления молекулярной медицины" – Спб.: Росток, 2005, с.195–268.
It is reasonable to consider questions of application of important structural components of shungite – fullerenes. Their special feature is in the fact that atoms of carbon are located in corners of regular hexagons and pentagons, making a surface of a graphite sphere or an ellipsoid and forming closed polyhedrons, consisting of even number of atoms of carbon in a sp2-hybridization state. Such atoms are bonded to each other by a covalent С-С bond, and a corresponding distance (between atoms) in a pentagon – 0.143 nm, and in a hexagon – 0.139 nm [1]. Molecules of fullerene can contain 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70 … atoms of carbon (Fig.1). Fullerenes with number of such atoms less than 60 are unstable. Higher fullerenes with number of atoms of carbon more than 400 exist in small amount and often they are characterized by complex enough isomerism.
Fullerenes are promising for use in nanotechnologies, microelectronics, medicine, space and military engineering, in mechanical engineering, production of equipment, steels and alloys, building, refractory materials, paints, fine-dispersed powders, in water purification, in medicine (as carriers of drugs). On the basis of fullerenes scientists have developed viricides and anticancer preparations, use of which will allow to influence selectively on affected cells, counteracting their reproduction. The basic hindrance at use of synthetic fullerenes – their high cost, which depending on quality and purity of these materials makes from 100 to 900 US dollars for 1 g, so search for natural fullerene-containing minerals is a perspective direction of modern research. Shungite is one of such minerals.
Structural properties and content of shungite
The structure of shungite represents itself an allotropic form of carbon [2]. Besides carbon it contains the following substances: SiO2 – 57.0; TiO2 – 0.2; Al2O3 – 4.0; FeO – 6; Fe2O3 – 1.49; MgO – 1.2; MnO – 0.15; К2О – 1.5; S – 1.2 ( mass.%). Density of shungite is equal to 2.1 – 2.4 g/cm3; porosity – up to 5%; compression strength – 100-120 MPa; coefficients of electrical conductivity and thermal conduction – 1500 Cm/m and 3.8 W/(m·K), correspondingly; adsorption capacity – up to 20 m2/g [3].
Shungites differ by their basis (silica-alumina, siliceous, carbonate) and amount of shungite carbon. Minerals with a silicate basis by carbon content (mass %) are divided into low- (less than 5% of carbon), middle- (5-25% of carbon) and high-carbon – (25-80% of carbon) shungites (Fig.2).
Crystals of shungite fine powder have brightly expressed bipolar properties – they have a high level of adhesion and can be easy mixed practically with all substances. More over, shungite demonstrates adsorption activity to some bacterial cells, phages, pathogenic saprophytes [4]. It can be explained by its nanostructure and content of structural elements – carbon is uniformly distributed in a skeleton of fine-dispersed crystals of quartz with size of 1-10 microns [5], that is confirmed by analysis of ultra-thin slices of shungite with use of scanning electron microscopy (SEM) on the basis of calculation of absorbed and back-scattered electrons (Fig.2).
Shungite carbon mineral is a highly-carbonated product, containing (in % by mass): C – 98.6- 99.6; Н – 0.15-0.5; (Н + O) – 0.15-0.9. X-ray diffraction examinations have demonstrated that it represents hard carbon, which is in various states: maximum disordered, close to graphite, gas black, glass carbon [6]. The basis represents itself hollow, multilayer fullerene-like spherical globules with a diameter of 10-30 nm, containing packages of smoothly curved carbon layers, enveloping nanopores (Fig.3, 4). Such globules can contain from tens to several hundreds of atoms of carbon and differ by their form and size [7, 8].
Application of materials on the basis of shungite
In carbon substance of shungite minerals there is a series of fullerenes, in particular, С60, С70, С74, С76, С84, and also isolated and bound with minerals fullerene-like structures. Tubular varieties of carbon fullerene-like clusters (nanotubes) and also film forms are discovered. Due to a mesh-spherical structure, natural fullerenes are ideal sorbents and fillers.
For this reason originally shungite was used as a filling compound of rubber and coke substitute in blast-furnace production of high-silicon foundry iron, at ferroalloys melting, for production of thermo-resistant paints and non-stick coating. Later on its sorption, bactericide, catalytic, regenerative properties, and also biological activity, ability to screen electromagnetic and radio waves were also discovered. It has created real backgrounds for application of shungite in various branches of science, industry and engineering for creation (on its basis) of materials with nano-molecular structure.
In particular, natural shungite is characterized by a series of interesting properties, which are promising for its use as a filtrating material at water purification. Among such properties:
• high adsorption capacity and technological effectiveness,
• mechanical strength,
• corrosion resistance,
• ability to sorption of organic and inorganic substance,
• catalytic activity;
• relatively low cost;
• ecological purity and safety.
Shungite absorbs on its surface up to 95% of pollutants, including chloroorganic compounds, phenols, dioxins, heavy metals, radionuclides, removes turbidity and color of water, gives to water good organoleptic properties, fills it with micro- and macroelements. In Russia filters for water purification on the basis of shungite are developed since 1995. Currently in the market there is a whole series of large domestic producers of such household and industrial filters.
More over, due to sorption activity to pathogenic microflora, shungite has strongly pronounced bactericide properties, that allows to disinfect potable water efficiently enough, using this mineral. In particular, scientists underline bactericide activity of shungite to pathogenic saprophytes and protozoa. At addition to shungite of other natural sorbents (flint, dolomite, glauconite) purified water is enriched to physiologically optimum values with calcium, magnesium, silicon and hydrocarbonates. It is known also that water outgoing from shungite beds renders general health-improving influence on a human organism. It is efficient for medical treatment at vegeto-vascular dystonia. It also can be used at many diseases, including dermatological, allergic, joint diseases, diseases of gastrointestinal tract, kidney stones diseases [9, 10]. Specialists discuss ideas of creation of medical carriers of drugs on the basis of shungite.
Presence in shungite of fullerene-like molecules and electroconductive properties of such minerals allows to create on their basis screened rooms, protection against influence of various radio waves, electroconductive materials, reducing influence action of electromagnetic radiation with frequency of 10-30 GHz and electric fields with frequency of 50 Hz. On the basis of these materials electro-heaters are developed yet.
New possibilities of shungite use in mechanical engineering – production of mineral additives and lubricants, in building – creation of ecological materials, for example, concrete, asphalt, bricks, plaster solutions and mixes, in power supply – paints, allowing to form electroconductive surface. They also are used as fillers of polymeric materials and rubber, soot substitutes.
Shungite, due to its specific structure and composition, has also high oxidation-reduction activity, a wide spectrum of catalytic properties. It can be used efficiently, in particular, in metallurgy. In blast-furnace ironmaking 1 ton of shungite substitutes 1.3 tons of coke. The mineral is used also in production of phosphorus, silicon carbide (SiC) and nitride (Si3N4).
On the basis of shungite there are prodused of preparations with strongly pronounced biological activity. Application of such additives in agriculture promotes lowering of acidity of soil and more long-term (2-2.5 times) moisture conservation in it, that positively influences crop capacity.
In fine-dispersed form shungite powders are mixed well with organic and inorganic substances. It allows to use them as a black colorant of paints on a different base (oil-and water-base paints), fillers of polymeric materials (polyethylene, polypropylene, fluoroplastic), substitutes of technical carbon in a series of technological processes. Created from shungite artificial porous material shungisite is applied as a heat-insulating composition and a filling compound of light shungisite-concretes.
In whole, it is important to mark out, that efficiency of shungite use in various branches is explained by a wide spectrum of its valuable properties and ecological compatibility, low cost of production of corresponding materials and technologies of their production, presence of a plentiful raw-material base. The limiting factor – extremely low content of fullerenes in shungite minerals.
Literature
Shpilevsky М.E., Shpilevsky E.М., Stelmakh V.F. Fullerenes and fullerene-like structures. – Engineering-physical Journal, 2001, v.76, №6, р.25–28 (Rus).
Volkova I.B., Bogdanova М.V. Schungites of Karelia. – Sov. Geology, 1985, №10, р.93–100 (Rus).
Parfenova L.S., Volkonskaya Т.I., Тikhonov V.V. Heat conductivity, thermal capacity and thermal e.m.f. of schungite carbon. – Solid-state physics, 1994, v.36, №4, р.1150–1153 (Rus).
Khadartsev А.А., Tuktamyshev I.Sh. Schungites in medical technologies. – Bulletin of new medical technologies, 2002, v.9, №2, р.83–86 (Rus).
Yushkin N.P. Globular supramolecular structure of schungite: data of the scanning tunnel microscopy. – Report of the Academy of Sciences of USSR, 1994, v.337, №6, р.800–803 (Rus).
Kasatochkin V. I, Elizen V. M, Melnichenko V. M, Jurkovsky I.M., Samoilov B.C. Submicroporous structure of schungite. – Chemistry of solid fuel., 1978, №3, р.17–21 (Rus).
Golubev E.A. Local supramolecular structures of schungite carbon. / Works of inter. symp. Carbon-containing formations in geological history. – Petrozavodsk: Publishing House of Karelian NC RAS, 2000, р.106–110 (Rus).
Reznikov V.A, Polekhovsky Yu.S. Amorphous schungite carbon as a natural environment for formation of fullerenes. – Letters in JTF, 2000,
v.26, Issue 15, р.94–102 (Rus).
Mosin O.V. A new natural mineral sorbent – schungite. – Santekhnika, 2011, №3, р.34–361 (Rus) .
Piotrovsky L.B. Fullerenes in biology and medicine: problems and prospects. Fundamental directions of molecular medicine: Compilation of articles.
St.-P.: Rostock, 2005, р.195–268 (Rus).
Отзывы читателей
