Infrared Spectroscopic Study of Adsorbed Water on Reduced-Charge Na/Li-Montmorillonites

Abstract

Infrared (IR) spectra in the fundamental and near-IR regions were obtained for Na-saturated Wyoming montmorillonite and reduced-charge Na/Li-saturated Wyoming montmorillonites hydrated under water vapor at 50% RH and dehydrated under vacuum. For the Na-montmorillonite, changes in the intensities of the structural OH-bending modes, particularly that of the MgAlOH group, were observed as the clay was dehydrated. This result was interpreted as evidence that exchangeable Na ions lose solvation water and settle into the ditrigonal cavities on the clay surface as it becomes desiccated. For the Na/Li-montmorillonites, the structural OH-bending modes also decreased in IR intensity because of Li⁺ migration into the octahedral sheet. The fundamental IR spectra of D₂O adsorbed by the montmorillonites showed characteristic absorptions at 2685, 2510, 2400, and 1205 cm^-1 that decreased in intensity proportionally to the cation-exchange capacity. This result, along with corroborating data from X-ray powder diffractograms and from near-IR diffuse reflectance spectra of H₂O adsorbed by the clays, suggest that the exchangeable cations on Na-montmorillonite dissociated from the clay surface as it hydrated and played a significant role in organizing the structure of adsorbed water at low water contents.

Резюме

Инфракрасные спектры (ИК) были получены в основной и ближней инфракрасной области для Na-насыщенного Уаеминского монтмориллонита и Nа/Li-насыщенных Уаеминских монтмориллонитов с уменьшенным зарядом, уводненных в присутствии водяного пара о 50% относительной влажности и отводненных в состоянии вакуума. Изменения интенсивностей изгибающих колебаний структурных групп ОН, особенно группы MgАlOН, наблюдались для Nа-монтмориллонита после дегидратации глины. Этот результат рассматривался как доказательство того, что обменные ионы Na теряют сольватационную воду и осаждаются в двухтригональных кавитациях на поверхности глины, когда она осушается. Для Nа/Li-монт-мориллонитов, интенсивность изгибающих колебаний структурных ОН также уменьшалась из-за миграции Li+ в октаэдрический слой. Основные ИК спектры D2О, адсорбированний монтмориллонитом, показали характеристическую абсорбцию при 2685, 2510, 2400, и 1205 см-1, интенсивность которой уменьшалась пропорционально катионообменной способности. Этот результат, вместе с подтверждающими данными рентгеновских порошковых диффрактограмм и данными спектров (диффузионного отражения ближней ИК области) воды адсорбированной глинами указывают на то, что обменные катионы из Na-монтмориллонита были диссоцированны с поверхности глины в то время, как она уводнялась. Эти катионы играли значительную роль в организовании структуры адсорбированной воды при низких ее содержаниях. [Е.С.]

Resümee

Infrarot (IR)-Spektren im Bereich der Grundschwingungen und im nahen Infrarot wurden für Na-gesättigten Montmorillonit von Wyoming und für Na/Li-gesättigte Montmorillonite von Wyoming mit reduzierter Ladung, die bei einem Wasserdampfdruck von 50% relativer Feuchtigkeit hydratisiert und im Vakuum dehydratisiert wurden, gefahren. Bei dem Na-Montmorillonit wurden Veränderungen bei den Intensitäten der strukturellen OH-Knickmoden, vor allem der MgAlOH-Gruppe, beobachtet, wenn der Ton dehydratisiert wurde. Dieses Ergebnis wurde als Beweis dafür interpretiert, daß austauschbare Na-Ionen ihr Solvatationswasser verlieren und sich in die ditrigonalen Hohlräume auf der Tonoberfläche anlagern, wenn sie getrocknet wird. Bei den Na/Li-Montmorilloniten nahmen die strukturellen OH-Knick-moden bei der IR-Intensität ebenfalls ab, da das Li⁺ in die Oktaederschicht wandert. Die Spektren im Bereich der Grundschwingungen im IR von an den Montmorillonit absorbiertem D₂O zeigen charakteristische Adsorptionsbanden bei 2685, 2510, 2400, und 1205 cm^-1, deren Intensitäten proportional mit der Kationenaustauschkapazität abnehmen. Dieses Ergebnis zusammen mit den Ergebnissen aus den Rönt-genpulverdiffraktogrammen und den Ergebnissen aus den diffusen Reflexionsspektren im nahen IR von an Tonen adsorbiertem H₂O deuten darauf hin, daß sich die austauschbaren Kationen am Na-Montmorillonit von der Tonoberfläche dissoziieren, wenn diese hydratisiert wird, und somit eine wichtige Rolle dabei spielen, welche Struktur des absorbierten Wassers sich bei niedrigen H₂O-Gehalten bildet. [U.W.]

Résumé

La montmorillonite-Na du Wyoming et les montmorillonites-Na/Li de charge réduite ont été étudiées par spectroscopic infrarouge (IR) et proche infrarouge (PIR) à des teneurs en eau correspondant à des pressions relatives de vapeur d'eau de 0 et 50%. On observe pour la montmorillonite-Na des modifications dans les intensités des modes de vibration de déformation des OH de structure en particulier des groupes OH liés au couple Mg-Al lorsqu'on déshydrate l'argile. On interprète ce résultat comme la preuve que les ions Na⁺ échangeables perdent leur eau d'hydratation et se logent dans les cavités ditrigonales à la surface de l'argile lorsqu'on déshydrate celle-ci. L'intensité des bandes de déformation des groupes OH diminue aussi dans le cas des montmorillonites-Na/Li parce que les ions Li⁺ migrent dans les cavités oc-taédriques libres. Le spectre infrarouge de D₂O adsorbée sur les montmorillonites est formé des bandes à 2685, 2510, 2400, et 1205 cm^-1 dont l'intensité diminue avec la capacité d’échange. Ce résultat, conforté par les mesures faites par diffraction des RX et par les spectres de réflexion diffuse dans le domaine proche infrarouge de l'eau adsorbée par les argiles, indique que les cations échangeables de la montmorillonite-Na sont dissociés de la surface de l'argile lorsqu'elle s'hydrate et qu'ils jouent un rôle déterminant dans l'organisation de l'eau adsorbée des sytèmes peu hydratés.