Development of Layer Charge and Kinetics of Experimental Smectite Alteration

Abstract

Sodium-saturated Wyoming bentonite was hydrothermally reacted at 150° and 250°C for 30 to 180 days to determine smectite alteration rates that might be applied to nuclear-waste repository design. Na-Ca solutions deficient in K were used to determine the role of interlayer cations in the creation of high layer-charge in the smectites. The results provide insight into the mechanism and timing of various steps in the diagenetic alteration of smectite to illite. X-ray powder diffraction (XRD) analyses of the reacted clay showed little effect on the character of the 17-Å reflection even after 180 days at 250°C. Potassium saturation of these reacted clays and re-examination by XRD indicated collapse of some smectite layers, leaving at most only 60% expandable layers. The development of layer charge sufficient to cause collapse on saturation with a low hydration energy exchange-cation does not require K in the reacting fluid. Rate constants for the illitization reactions as determined by K-saturated collapse are between 1.0 × 10⁻³ and 2.8 × 10⁻³/day with activation energies <3.5 kcal/mole. Ca in a Na-silicate-bicarbonate solution slightly reduced the illitization rate constants. These rate constants are higher than expected from extrapolation of studies of beidellite-composition glasses at higher temperatures, but lower than values obtained in studies of natural clays in artificial sea water. The release of Si, Al, and Mg in the 150°C experiments suggests congruent dissolution of the smectite. In contrast, at 250°C the release of Al was not stoichiometric with Si; as little as one half of the relative available Si was released. Rather than different mechanisms for dissolution at the two temperatures, the conclusion is that noncrystalline Al-rich phases formed at greater rates at higher temperatures. The cation-exchange capacities for several of these reacted smectites were significantly less than expected, suggesting a clogging of interlayer sites, perhaps by Al-complexes.

Резюме

Насыценный натрием бентонит из Уаиоминга подвергался термальной реакции при 150° и 250°С в течение от 30 до 180 дней для определения скоростей перемены смектита, которые могут быть использованы для проекта хранилища отходов атомной промышленности. Использовались растворы №-Са, обедненные калием для определения роли межслойных катионов в процессе образования слоев с высоким зарядам в смектитах. Результаты помагают объяснить механизм и историю различных стадий диагенетического превращения смектита в иллит. Рентгеновская порошковая дифракция (РПД) реагированной глины указала на малый эффект этой реакции на характер отражения 17 А, даже после 180 дней при 250°С. Насыщение калием этих реагированных глин и вторичное исследование РПД указало на разрушение некоторых слоев смектита, оставляя не больше, чем 60% расширяющихся слоев. Построение слойного заряда достаточного для разрушения слоев после насыщения обменными катионами с низкой энергией гидратации не требует присутствия калия в реагирующей жидкости. Постоянные скорости реакции иллитизации, определенные на основании разрушения К-насыщенных слоев равны от 1,0 × 10⁻³ до 2,8 × 10⁻³/день с величинами энергии активации >3,5 ккал/моль. Присутствие Са в растворе Иа-силиката-бикарбоната немного уменьшило постоянные скорости иллитизации. Эти постоянные скорости являются выше, чем предполагаемые на основании результатов исследований состава бейделитовых стекел при повышенных температурах, но ниже, чем значения, полученные во время исследований натуральных глин в искуственной морской воде. Удаление Ѕі, Аl, и М§ во время опытов при 150°С указывает на соответствующее этому процессурастворение смектита. В противоположность, при 250°С удаление А1 не было стехиометрическим с Я; только половина располагаемого §1 удалялась. В результате проделанных экспериментов может быть сделан вывод, что некристаллические, обогащенные А1 фазы быстрее формировались при по-вышеной температуре более вероятно, чем имели место различные механизмы растворения при разных температурах. Катионо-обменные способности для нескольких из этих реагированных смек-титов являлись значительно меньшими, чем предполагалось, указывая на закупорку межслойных мест, возможно комплексами Аl. [Е.G.]

Resümee

Na-gesättigter Bentonit von Wyoming wurde hydrothermal bei 150° und 250°C für 30 bis 180 Tage zur Reaktion gebracht, um die Umwandlungsgeschwindigkeiten von Smektit zu bestimmen, die im Hinblick auf die Planung der Lagerung radioaktiver Abfälle verwendet werden können. Na-Ca-Lösungen, arm an K, wurden verwendet, um den Einfluß zu untersuchen, den Zwischenschichtkationen auf die Bildung von hohen Schichtladungen in Smektit haben. Die Ergebnisse liefern Einblick in den Mechanismus und die zeitliche Abfolge der verschiedenen Stufen bei der diagenetischen Umwandlung von Smektit in Illit. Röntgenpulverdiffraktometer-Analysen (XRD) des Tons nach der Reaktion zeigten kaum einen Einfluß auf die Art des 17 Å Reflexes, selbst nach einer Reaktion von 180 Tagen bei 250°C. Die Sättigung dieser reagierten Tone mit K und die erneute Untersuchung mit XRD zeigte die Kontraktion einiger Smektitlagen, so daß maximal nur 60% expandierbare Lagen übrig blieben. Die Entwicklung einer Schichtladung, ausreichend um eine Kontraktion durch Sättigung mit einem Austauschkation, das eine niedrige Hydratationsenergie hat, zu verursachen, benötigt kein K in der reagierenden Flüssigkeit. Beschwindigkeitskonstanten für die Illitisierungs-Reaktionen, wie sie aus der Kontraktion durch K-Sättigung bestimmt wurden, liegen zwischen 1,0 × 10⁻³ und 2,8 × 10⁻³/Tag mit Aktivierungsenergien <3,5 kcal/Mol. Calcium in Na-Silikatbikarbonatlösung erniedrigt die Geschwindigkeitskonstante der Illitisierung geringfügig. Diese Geschwindigkeitskonstanten sind höher als man sie aus der Extrapolation von Untersuchungen von Gläsern mit Beidellitzusammensetzung erwartet hat, aber niedriger als die Werte, die man bei Untersuchungen natürlicher Tone in künstlichem Meerwasser erhalten hat. Die Freisetzung von Si, Al, und Mg in den Experimenten bei 150°C deuten auf eine kongruente Auflösung des Smektits hin. Im Gegensatz dazu war bei 250° die Freisetzung von Al nicht stöchiometrisch zu Si; nut etwa die Hälfte des zur Verfügung stehenden Si wurde freigesetzt. Es wird jedoch nicht ein unterschiedlicher Auflösungsmechanismus bei den zwei Temperaturen angenommen, sondern viel mehr, daß bei höheren Temperaturen nichtkristalline Al-reiche Phasen mit größeren Geschwindigkeiten gebildet werden. Die Kationenaustauschkapazitäten für einige dieser reagierten Smektite waren beachtlich kleiner als erwartet, was eine Belegung der Zwischenschichtplätze—wahrscheinlich durch Al-Komplexe—vermuten läßt. [U.W.]

Résumé

On a fait réagir de la bentonite saturée de sodium du Wyoming hydrothermalement à 150°C et 250°C pendant une période de 30 à 180 jours pour déterminer des vitesses d'altération de smectite qui pourraient âtre appliquées au dessin de dépêts de déchets nucléaires. Des solutions Na-Ca déficientes en K ont été utilisées pour déterminer le rêle de cations intercouche dans la création de charge de couche élevée dans des smectites. Les résultats permettent un aperçu du mécanisme et de la chronologie des différentes étapes dans l'altération de la smectite en illite. Des analyses de diffraction des rayons-X (XRD) de l'argile réagie ont montré qu'il y avait très peu d'effet sur le caractère de la réflection 17 Å, même après 180 jours à 250°C. La saturation par le potassium de ces argiles réagies, et la réexamination par XRD a indiqué la fermeture de quelques couches de smectite, laissant au plus seulement 60% de couches expansibles. Le développement de charge de couche suffisante pour causer la fermeture lors de la saturation avec un cation d’échange à basse énergie d'hydration n'exige pas K dans le fluide réagissant. Des constantes de vitesse pour les réactions d'illitisation déterminées d'après la fermeture saturée de K sont entre 1,0 × 10⁻³ et 2,8 × 10⁻³/jour avec des énergies d'activation <3,5 kcal/mole Ca dans une solution bicarbonatesilicate-Na n'a reduit que légèrement les constantes de taux d'illitisation. Ces constantes de taux sont plus élevées que celles anticipées à partir de l'extrapolation d’études de verres de composition beidellite à de plus hautes températures, mais sont plus basses que les valeurs obtenues dans des études d'argiles naturelles dans l'eau de mer artificielle. Le détachement de Si, Al, et Mg dans des expériences à 150°C suggère une dissolution congruente de la smectite. Par contraste, à 250°C, le détachement d'Al n’était pas stoichiométrique avec Si; aussi peu que la moitié de Si relative disponsible a été relâchée. Plutôt que des mécanismes différents pour la dissolution aux deux températures, la conclusion est que les phases riches en Al non cristalline se sont formées à des vitesses plus élevées aux plus hautes températures. Les capacités d’échange de cations pour plusieurs de ces smectites réagies étaient plus basses de manière significative, suggérant un embouchement des sites intercouche, peut-être par des complexes-Al. [D.J.]