Formation and Characterization of Clay Complexes with Bitumen from Athabasca Oil Sand

Abstract

Montmorillonite, kaolinite, illite, and chlorite were found to adsorb bitumen and its pentane-soluble and pentane-insoluble fractions. The formation of clay-bitumen complexes is influenced by the nature of the exchangeable cation on the clay and by the solvent carrier which stabilizes the bituminous compounds. Ca-clays adsorb organic compounds more strongly than sodium forms except in the presence of nitrobenzene. Solvents of high dielectric constant, such as nitrobenzene, promote ionization so that the ion-exchange mechanism of adsorption is favored, whereas solvents of lower dielectric constant, such as chloroform, tend to solvate rather than to dissociate bitumens. The behavior of the montmorillonite-bi- tumen complex in variable relative humidity indicates that organic molecules adsorb primarily on external surfaces and cause the clay to become less hydrophilic than prior to treatment. Clay-organic complexes are sufficiently stable to resist powerful organic solvents. The clay-organic complex separated from the Athabasca oil sand behaves similarly during chemical treatment to complexes formed between bitumen and the four reference clay minerals.

Резюме

Было обнаружено, что монтмориллионит, каолинит, иллит, и хлорит адсорбируют битум и его растворимые и нерастворимые в пентане фракции. Образование глинисто-битумных комплексов зависит от природы обменного катиона в глине и растворяющего носителя, который стабилизирует битумные соединения. Са-глины адсорбируют органические соединения сильнее, чем натриевые формы, кроме случаев, когда присутствует нитробензол. Растворители с высокой диэлектрической постоянной, как нитробензол, способствуют ионизации, что содействует ионнообменному механизму адсорбции, тогда как растворители с более низкой диэлектрической постоянной, как хлороформ, имеут тенденцию растворять и не разлагать битумы. Поведение монтморил- лонит-битумного комплекса в условиях изменчивой относительной влажности указывает на то, что органические молекулы адсорбируются в основном на наружных поверхностях, в результате чего глина становится менее гидрофильной, чем до обработки. Глинисто-органические комплексы достаточно устойчивы, чтобы противостоять сильным органическим растворителям. Глинистоорганический комплекс, выделенный из Атабасского неатяного песка в течение химической обработки, ведет себя аналогично с комплексами, образованными битумом и четырьмя приведенными выше глинистыми минералами. [N.R.]

Resümee

Es zeigte sich, daß Montmorillonit, Kaolinit, Illit, und Chlorit Bitumen und ihre Pentan-löslichen und Pentan-unlöslichen Anteile adsorbieren. Die Bildung von Ton-Bitumenkomplexen wird durch die Art der austauschbaren Kationen am Ton und durch den Lösungsträger, der die bituminösen Bestandteile stabilisiert, beeinflußt. Ca-Tone adsorbieren organische Bestandteile stärker als Na-Tone außer in Anwesenheit von Nitrobenzen. Lösungsmittel mit hoher dielektrischer Konstante, wie Nitrobenzen, fördern die Ionisation, so daß der Ionenaustauschmechanismus der Adsorption begünstigt wird. Lösungsmittel mit niedrigerer dielektrischer Konstante hingegen, wie z.B. Chloroform, neigen eher dazu, die Bitumen zu lösen als zu dissoziieren. Das Verhalten des Montmorillonit-Bitumenkomplexes bei unterschiedlicher relativer Feuchtigkeit zeigt an, daß organische Moleküle bevorzugt an den äußeren Oberflächen adsorbiert werden und die Ursache sind, daß der Ton weniger hydrophil ist als vor der Behandlung. Komplexe aus Ton mit organischen Substanzen sind stabil genug, um gegen kräftige organische Lösungsmittel resistent zu sein. Die Tonkomplexe mit organischem Material, die aus dem Athabasca Ölsand abgetrennt wurden, verhalten sich während der chemischen Behandlung ähnlich wie die Komplexe, die sich zwischen Bitumen und den vier Standard-Tonmineralen gebildet hatten. [U.W.]

Résumé

On a trouvé que la montmorillonite, la kaolinite, l'illite, et la chlorite adsorbaient le bitume et ses fractions solubles et insolubles au pentane. La formation des complexes argile-bitume est influencée par la nature du cation échangeable sur l'argile et par le porteur de solvant qui stabilise les composés bitumineux. Les argiles-Ca adsorbent les composés organiques plus intensément que les formes au sodium sauf en présence de nitrobenzene. L'ionisation est promue par des solvants à constante diaélectrique élevée, tels que la nitrobenzene, de sorte que le mécanisme d’échange d'ions de Tadsorption est favorisé, tandis que les solvants à constante diaélectrique plus basse tels que le chloroforme, tendent à dissoudre plutôt qu’à dissocier les bitumes. Le comportement du complexe montmorillonite-bitume sous des conditions d'humidité relative variable indique que les molécules organiques adsorbent principalement sur les surfaces externes et est la raison pour laquelle l'argile devient moins hydrophile qu'avant le traitement. Les complexes argile-matière organique sont suffisemment stables que pour résister aux solvants organiques puissants. Le complexe argile-matière organique séparé du sable pétrolier Athabasca se comporte de manière semblable pendant le traitement chimique aux complexes formés entre le bitume et les quatre minéraux argileux de réference. [D.J.]