Electrical Conductivity of Na/Ca-Montmorillonite Gels

Abstract

The specific conductivity, κ_g, of Na/Ca montmorillonite gels (0.02 and 0.04 g clay/cm³) as a function of the specific conductivity of the interclay solution, κ_w, was measured. For low values of κ_w (<3 mmho/cm) the conductivity curves were convex with respect to x_w; at higher values they were linear. The κ_w at which deviation from linearity began increased with increasing sodium content from 0.7 mmho/cm for the Ca-montmorillonite gel to 2.6 mmho/cm for Na-montmorillonite gel. The intercept of the linear portion of the conductivity curve increased and its slope decreased with increasing exchangeable sodium. The experimental results were described by a conductance model comprised of two elements connected in parallel: an element consisting of the solid and solution phases connected in series, and another consisting of the solution phase. At low electrolyte concentrations, the first element accounts for the curvature of the κ_g-κ_w curve, whereas at high electrolyte concentrations, the second element dominates, and the curve is linear with a slope determined by a formation factor and an intercept determined by exchangeable cation mobility.

An adjustable parameter in the conductivity term for the first element, which accounts for the thickness of the clay particles, increased with exchangeable Na, and its numerical value indicated that the solid phase also includes the diffuse double layer. The mobility of the exchangeable cation relative to that in water increased from 4% for Ca to 41% for Na with the largest increase occurring between 20 and 40% exchangeable Na. Similar effects of exchangeable Na were evident on the axial ratio of the clay particles calculated from the slopes of the linear lines. These observations are consistent with an exchangeable-ion demixing model where the initial exchangeable Na is adsorbed on the external surfaces of the Ca-montmorillonite tactoids without affecting exchangeable ion mobility or tactoid size. Further additions of exchangeable Na result in Na adsorption on the internal surfaces of the tactoid and tactoid breakdown with a subsequent increase in both exchangeable ion mobility and the axial ratio of the clay particles.

Резюме

Измерялась удельная проводимость, κ_g, На/Са-монтмориллонитовых гелей (0,02 и 0,04 г гдины/см³) как функция удельной проводимости межглинных растворов, κ_w. Для низких значений κ_w (меньше 3 мом/см) кривые проводимости были выпуклые относительно κ_w; при больших значениях они были линейные. Значения κ_w, при которых отклонение от линейности начинало увеличиваться с увеличением содержания натрия, изменялось от 0,7 мом/см для Са-монтмориллони-тового геля до 2,5 мом/см для На-монтмориллонитового геля. Размер линейной части кривой проводимости увеличивался, а ее наклон уменьшался с увеличивающимся количеством обменного Na.

Экспериментальные результаты были описаны моделью проводимости, состоящей из двух параллельно соединенных элементов: один элемент состоит из двух—твердой и растворимой—фаз, соединенных поочередно, и другой состоит из растворимой фазы. При низких концентрациях электролита первый элемент отвечает за кривизну кривой κ_g - κ_w в то время как при больших концентрациях электролита второй элемент доминирует и кривая становится линией с наклоном, определенным мобильностью обменного катиона.

Регулируемый параметр в выражении для проводимости для первого элемента, который отвечает за толщину частиц глины, увеличивается с количеством обменного Nа и его численное значение указывает на то, что твердая фаза тоже включает диффузионный двойной слой. Мобильность обменного катиона относительно мобильности в воде увеличивается от 4% для Са до 41% для Nа с самым большим увеличением, получающимся в диапазоне 20 и 40% обменного Na. Похожие эффекты для обменного Na были видны на аксиальном соотношении частиц глины, вычисленным по наклонам линейных линий. Эти наблюдения согласуются с ионообменной моделью, в которой начальный обменный Na адсорбируется на внешней поверхности тактоидов Са-монтмориллонита без изменения мобильности обменного иона или размера тактоида. Следующее добавление обменного Nа приводит к адсорбции Na на внутренних поверхностях тактоида и к разрущению тактоида с последующим увеличением мобильности обменного иона вместе с аксиальным соотнощением частиц глины. [Е.С.]

Resümee

Es wurde die spezifische Leitfähigkeit, κ_g, von Na/Ca-Montmorillonitgelen (0,02 und 0,04 g Ton/ cm³) als eine Funktion der spezifischen Leitfähigkeit der Zwischentonlösungen, κ_w, gemessen. Für kleine κ₂-Werte (<3 mmho/cm) waren die Leitfähigkeitskurven in Bezug auf κ_w konvex, behöheren Werten waren sie linear. Der κ_w-Wert, bei dem die Abweichung von der Linearität begann, wuchs mit zunehmendem Na-Gehalt von 0,7 mmho/cm für das Ca-Montmorillonitgel bis 2,5 mmho/cm für das Na-Montmorillonitgel. Mit zunehmendem austauschbarem Na nahm der Achsenabschnitt des linearen Anteils der Leitfähigkeits-kurve zu, während ihre Neigung abnahm.

Die experimentellen Ergebnisse wurden durch ein Leitfähigkeitsmodell beschrieben, das zwei parallel verknüpfte Elemente umfaßte: ein Element besteht aus den festen und den flüssigen Phasen, die in Serie geschaltet sind, und das andere Element besteht aus der Lösungsphase. Bei niedrigen Elektrolytkonzentrationen bewirkt das erste Element die Krümmung der κ_g-κ_w-Kurve, während bei höheren Elektrolytkonzentrationen der Einfluß des zweiten Elementes überwiegt und die Kurve linear ist mit einer Neigung, die durch einen Formfaktor bestimmt wird, und der Achsenabschnitt von der Mobilität der austauschbaren Kationen abhängt.

Ein veränderlicher Parameter im Leitfähigkeitsterm für das erste Element, der für die Dicke der Tonteilchen zuständig ist, nahm mit austauschbarem Na zu. Sein numerischer Wert deutet darauf hin, daß die Festphase ebenfalls die diffuse Doppelschicht enthält. Die Mobilität der austauschbaren Kationen relativ zu der im Wasser nahm von 4% für Ca bis 41% für Na zu, wobei die größte Zunahme zwischen 20 und 40% austauschbarem Na auftrat. Ähnliche Effekte von austauschbarem Na zeigten sich bei dem axialen Verhältnis der Tonteilchen, das aus den Neigungen der linearen Kurventeile berechnet wurde. Diese Beobachtungen stimmen mit einem Entmischungsmodell für austauschbare Ionen überein, wobei das ursprünglich austauschbare Natrium an den äußeren Oberflächen von Ca-Montmorillonittaktoiden adsorbiert wird, ohne daß die Mobilität des austauschbaren Ions oder die Taktoidgröße beeinflußt wird. Eine weitere Zugabe von austauschbarem Na führt zu einer Na-adsorption an den inneren Oberflächen des Taktoids und zu einem Zusammenbruch des Taktoids, wodurch die Mobilität des austauschbaren Ions zunimmt und ebenso das axiale Verhältnis der Tonteilchen. [U.W.]

Résumé

La conductivité spécifique κ_g de gels de montmorillonite Na/Ca (0,02 et 0,04 g d'argile/cm³) en fonction de la conductivité spécifique de la solution interargile INW a été mesurée. A de basses valeurs de κ_w (<3 mmho/cm), les courbes de conductivité étaient convexes respectivement à κ_w, à de plus hautes valeurs, elles étaient linéaires. La valeur de κ_W à laquelle commençait la déviation de la linéarité augmentait en proportion à l'augmentation de sodium, de 0,7 mmho/cm pour le gel de montmorillonite-Ca à 2,5 mmho/ cm pour le gel de montmorillonite-Na. L'intercept de la portion linéaire de la courbe de conductivité a augmenté et son inclinaison a diminué proportionnellement à l'augmentation de Na échangeable. Les résultats expérimentaux ont été décrits par un modèle de conductance comprenant deux éléments associés en parallèle: un élément consistant des phases solide et solution associés en série, et un autre consistant de la phase solution. A de basses concentrations d’électrolyte, le premier élément rend compte de la forme de la courbe κ_g-κ_w, tandis qu’à de hautes concentrations d’électrolyte, le second élément domine, et la courbe est linéaire avec une inclinaison déterminée par un facteur de formation et un intercept déterminé par la mobilité du cation échangeable.

Un paramètre ajustable dans le terme de conductivité pour le premier élément, qui rend compte de l’épaisseur des particules d'argile, a augmenté proportionnellement au Na échangeable, et sa valeur numérique a indiqué que la phase solide comprend aussi la couche double diffuse. La mobilité du cation échangeable comparé à sa mobilité dans l'eau a augmenté de 4% pour Ca à 41% pour Na, la plus grande augmentation se passant entre 20 et 40% de Na échangeable. Des effets semblables de Na échangeable étaient évidents sur la proportion axiale des particules d'argile calculée à partir des inclinaisons des droites linéaires. Ces observations sont consistantes avec le modèle de démélange d'ion échangeable où le Na échangeable initial est adsorbé sur les surfaces externes des tactoïdes de montmorillonite-Ca sans affecter la mobilité de l'ion échangeable ou la taille tactoïde. Une addition supplémentaire de Na échangeable résulte en l'adsorption de Na sur les surfaces internes du tactoïde et la désintégration du tactoïde accompagné d'une augmentation ultérieure de la mobilité de l'ion échangeable et de la proportion axiale des particules d'argile. [D.J.]