Adsorption of Hydroxy-Al by Certain Phyllosilicates and its Relation to K/Ca Cation Exchange Selectivity

Abstract

The adsorption of hydroxy-Al by the 2–0•2 µ size fractions of muscovite, biotite, K-depleted micas, vermiculite and montmorillonite was studied. The differences in the amounts of hydroxy-Al adsorbed were apparently related to the expansibility and layer charge of minerals, the ionic saturation and degree of K-depletion, the basicity (OH/Al ratio) of the equilibrating hydroxy-Al solution, and the solution-clay ratio. The CEC reduction was not necessarily proportional to the amount of Al adsorbed because CEC reduction may occur through occupation of cation exchange sites by hydroxy-Al, or through hindrance to the entry of the replacing cation to these sites. Aluminum interlayering generally increases the K/Ca cation exchange selectivity (CES) of Na-vermiculite and K-depleted biotite, whereas the K/Ca CES of Na-montmorillonite was little affected. The basicity of the initial hydroxy-Al solution appeared to affect the K/Ca CES of Na-vermiculite and K-depleted biotite by controlling the amount of hydroxyl-Al adsorbed. The data indicate that in addition to the “propping effect”, hydroxy-Al interlayers may affect the K/Ca CES through the following mechanisms; (1) the “preferential occupation” of Ca adsorbing sites, and/or (2) the “retarding effect” on the entry of the more hydrated Ca ions.

Résumé

On a étudié l’adsorption d’hydroxy-Al par les fractions comprises entre 0,2 et 2 µ des minéraux suivants: muscovite, biotite, micas appauvris en K, vermiculite et montmorillonite. Les différences trouvées dans les quantités d’hydroxy-Al adsorbé sont apparemment reliées à l’aptitude au gonflement et à la charge du minéral, à la saturation ionique et au degré de remplacement du potassium, à la basicité (rapport OH/A1) de la solution d’hydroxy-Al en équilibre, et au rapport solution-argile. La réduction de CEC n’est pas néessairement proportionnelle à la quantité d’aluminium adsorbé du fait que cette réduction de CEC peut provenir soit de l’occupation des sites d’échange cationique par l’hydroxy-Al, soit de l’obstacle créé à l’accès des cations échangeurs à ces sites. L’aluminium placé dans l’espace interfeuillet augmente en général la sélectivité d’échange cationique (CES) K/Ca pour la vermiculite-Na et la biotite appauvrie en K, tandis que la CES K/Ca pour la montmorillonite Na est peu affectée. La basicité de la solution initiale d’hydroxy-Al semble affecter la CES K/Ca de la vermiculite-Na et de la biotite appauvrie en K, en contrôlant la quantité d’hydroxy-Al adsorbé. Les données indiquent qu’en plus d’un “effet de cale”, l’hydroxy-Al interfeuillet peut affecter la CES K/Ca par les mécanismes suivants; (1) occupation préférentielle des sites d’adsorption du calcium, et/ou (2) effet retardateur sur l’entrée des ions Ca plus hydratés.

Kurzreferat

Die Adsorption von Hydroxy-Al durch 2–0•2 µ Grösse Fraktionen von Muskowit, Biotit, K-armem Glimmer, Vermiculit und Montmorillonit wurde untersucht, Die Unterschiede in den Mengen von adsorbiertem Hydroxy-Al standen offenbar in einer Beziehung zu der Expandibilität und Schichtladung der Minerale, der ionischen Sättigung und dem Mass an K-Verarmung, der Basizität (OH/Al Verhältnis) der abgleichenden Hydroxy-Al Lösung und dem Verhältnis Lösung/ Ton. Die Verminderung der CEC war nicht unbedingt proportional der Menge von absorbiertem Al weil ja eine Verminderung der CEC durch Besetzung von Kationenaustauschstellen durch Hydroxy-Al, oder durch Verhinderung des Zutrittes der Ersatzkationen an diese Stellen erfolgen kann. Zwischenlagerung von Aluminium erhöhte im allgemeinen die K/Ca Kationenaustauschselektivität (CES) von Na-Vermiculit and K-armen Biotit, während die K/Ca CES von Na-Montmorillonit wenig berührt war. Die Basizität der ursprünglichen Hydroxy-Al Lösung schien einen Einfluss auf die K/Ca CES von Na-Vermiculit und K-armem Biotit auszuüben durch Steuerung der Menge von adsorbiertem Hydroxy-Al. Die Messwerte deuten daraufhin, dass die Hydroxy-Al Zwischenschichten neben ihrer “Stützwirkung” die K/Ca CES durch die folgenden Mechanismen beeinflussen können: (1) die “Vorzugsbesetzung” von Ca-adsorbierenden Stellen, bzw. (2) die “verzögernde Wirkung” auf den Zutritt der stärker hydratisierten Ca-Ionen.

Резюме

Изучен характер поглощения гидрокси–Аl фракциями 2–0,2 мк мусковита, биотита, слюды с пониженным содержанием К, вермикулита и монтмориллонита. Различия в количестве поглощенного гидрокси–Аl оказались связанными со способностью к разбуханию и зарядом слоев минералов, ионным насыщением и степенью дефицита К, основностью (отношение ОН/Аl) равновесного раствора гидрокси–Аl и отношением раствор — глина. Уменьшение катионно-обменной емкости (КОЕ) не было обязательно пропорционально количеству поглощенного Аl, поскольку уменьшение КОЕ может происходить вследствие заселения положений обменных катионов гидрокси–Аl или является результатом затрудненного вхождения обменных катионов. Внедрение алюминия между слоями обычно увеличивает избирательность катионного обмена K/Са в Na-вермикулите и биотите с дефицитом K, в то время как избирательность катионного обмена K/Са в Na-монтмориллоните изменяется очень незначительно. Основность исходного раствора гидрокси–Аl, как оказалось, влияет на избирательность катионного обмена K/Са в Na-вермикулите и биотите с дефицитом K, контролируя количество поглощенного гидрокси–Аl. Полученные данные свидетельствуют о том, что помимо «эффекта закрепления» межслоевой гидрокси–Аl может воздействовать на избирательность катионного обмена К/Са по следующим механизмам: 1) посредством «предпочтительного заселения» положений адсорбированного Са, и/или 2) вследствие «эффекта замедления» вхождения более гидратированных ионов Са.