Exchange and Selective Surface Uptake of Cations by Layered Silicates Using X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

Abstract

The cation-exchange capacities (CEC) of a previously well-characterized beidellite have been estimated nondestructively from X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data following exchange by various cations. The CEC obtained as an atomic ratio to silicon from Na- and Ca-clays are close to that derived chemically, i.e., 0.10(2), and 0.10(1), respectively, compared with 0.12(1). However, the apparent CEC obtained following K-, Pb-, and Ba-exchange are all about 50% greater. These measurements are complemented by XPS studies of clay exchanged in a solution containing both Ca and Ba ions where XPS gave a total apparent exchange capacity relative to Si of 0.16, with 0.10 from Ca and 0.06 from Ba. Bulk chemical analysis has, however, shown that the true Ba value is only 0.01. It is concluded that the cation excess detected by XPS—a technique with a total sampling depth of only about 100 Å—is concentrated at the surfaces of the clay particles.

Резюме

По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (КФС) после обмена различными катионами оценивались катионно-обменные способности (КОС) предварительно хорошо охарактеризованного бейделита без его разрушения. Полученные для Ка- и Са-глин КОС, как атомные отношения к кремнезему близки к отношению, полученному химическим путем, т.е., 0,10(2) и 0,10(1) соответственно по сравнению с 0,12(1). Однако, все кажущиеся КОС, полученные в результате обменов с К-, РЬ-, и Ва-выше примерно на 50%. Эти измерения были дополнены исследованиями глины с помощью КФС после реакции обмена в растворе, содержащем ионы Са и Ва. КФС показала суммарную обменную способность по отношению к 81, равную 0,16, причем вклад Са—0,10,а Ва—0,06. Объемный химический анализ, однако, показал что истинная величина для Ва является только 0,01. Было сделано заключение, что избыток катионов, отмеченный КФС —способом с суммарной глубиной исследования только примерно 100 ÅА— сконцентрирован на поверхности глинистых частиц.

Resümee

Die Kationenaustauschkapazitäten (CEC) eines Beidelliten, der schon seit einiger Zeit charakterisiert ist, sind ohne Zerstörung durch Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) nach Austausch mit verschiedenen Kationen bestimmt worden. Die CEC Werte, welche als atomisches Verhältnis von Na- und Ca-Tonerden zu Silizium erhalten wurden, liegen sehr nahe bei denen, welche chemisch erhalten wurden, d.h., 0,10(2) beziehungsweise 0,10(1) im Vergleich zu 0,12(1). Die scheinbaren CEC Werte, die nach dem K-, Pb-, und Ba-Austausch erhalten werden, sind jedoch alle ungefähr 50% höher. Diese Messungen werden ergänzt durch XPS Untersuchungen von Tonen, die in einer Lösung von Ca- und Ba-Ionen ausgetauscht werden und in denen XPS eine gesamte, scheinbare Austauschkapazität, auf Si bezogen, von 0,16 ergab, von der 0,10 von Ca und 0,06 von Ba stammen. Chemische Massenanalyse hat jedoch gezeigt, daß der wahre Ba-Wert nur 0,01 ist. Es wird beschlossen, daß der Kationenüberschuß, welcher durch XPS Messungen, einer Methode mit einer gesamten Probentiefe von nur etwa 100 Â gefunden wurde, sich auf der Oberfläche der Tonpartikel befindet.

Résumé

Les capacités d’échange de cations (CEC) d'une beidellite auparavant bien caractérisée ont été estimées d'une manière non destructive à partir de données de spectroscopie de photoélectrons aux rayons-X (XPS) suivant l’échange de divers cations. Les CEC obtenues en tant que proportion atomique à la silice des argiles de Na et de Ca sont proches de celles dérivées chimiquement, c.à.d., 0,10(2) et 0,10(1), respectivement, comparé à 0,12(1). Cependant, les CEC apparentes obtenues suivant l’échange de K, Pb, et Ba sont toutes environ 50% plus élevées. Ces mesures sont complimentées par des études XPS d'argile échangée dans une solution contenant à la fois des ions Ca et Ba où XPS a donné une capacité d’échange totale apparente relative à Si de 0,16, avec 0,10 venant du Ca et 0,06 venant du Ba. L'analyse chimique de masse a cependant montré que la véritable valeur pour Ba est seulement de 0,01. On a conclu que l'excès de cations détectés par XPS—une technique avec une profondeur d’échantillonage de seulement environ 100 —est concentré sur les surfaces des particules d'argile.