Kinetics of Glass Dissolution and Zeolite Formation under Hydrothermal Conditions

Abstract

After a temperature-dependent period when little dissolution occurs, the dissolution of rhyolitic glass can be described by dC/dt = k(C_s − C), where C_s is the concentration of dissolved silica at saturation, C is the instantaneous silica concentration, and k is a rate constant equal to 1.6 × 10⁻⁵, 3.0 × 10⁻⁵, and 4.5 × 10⁻⁵ sec⁻¹ at 115°, 130°, and 140°C respectively, in 2 M Na-K carbonate solution at 1 kbar pressure. At 130°C, a C_s value of 0.177 M SiO₂ is reached in 30 hr, and phillipsite, clinoptilolite, and mordenite begin forming at 34, 64, and 76 hr, respectively, in 2 M CO₃, 1:1 Na/K. During glass dissolution and zeolite formation, the concentration of Al as Al(OH)₄⁻ is buffered at 3.7 × 10⁻⁴ M by an unidentified phase. The ratio of SiO₂ to Al(OH)₄⁻ at the onset of zeolite formation is 475. In 2 M CO₃ solution, phillipsite crystallization begins at 144 hr at 115°C, at 34 hr at 130°C, and at 20 hr at 140°C. Phillipsite crystallization begins at 48 hr in 1.5 M CO₃, at 168 hr in 1.0 M CO₃, and in excess of 550 hr in 0.2 M CO₃ at 140°C. In addition to OH⁻ catalysis, CO₃^2- appears also to catalyze the glass-dissolution and zeolite-formation processes.

Thermodynamically, phillipsite is unstable relative to clinoptilolite and mordenite in silica-rich alkaline hydrothermal solutions. Phillipsite forms first, followed by clinoptilolite, and then mordenite. Phillipsite formation is favored by runs of one-week duration, temperatures less than 150°C, and K-rich fluids. Clinoptilolite formation is favored in runs of more than one week, temperatures less than 150°C and K-rich fluids. Mordenite formation is favored by runs of more than one week, temperatures greater than 140°C, and Na-rich fluids. In 8-day runs at 140°C, clinoptilolite formation was favored by liquid: solid reactant (volume: mass) ratios less than 1.0, mordenite by ratios from 0.85 to 1.5, and phillipsite by ratios greater than 1.5. The mechanism of formation of the different zeolites, particularly phillipsite, may involve silica-cyclic tetramers which are abundant in concentrated solutions under alkaline hydrothermal conditions but which are almost absent in dilute low-temperature solutions. Thus, the results of hydrothermal experiments may not be directly applicable to zeolite formation at low temperatures.

Резюме

После периода, зависящего от температуры, во время которого выступают малые растворения, растворение риолитового стекла может быть описано как dC/dt = к(C_s − C), где C_s = концентрация растворенного кремнезема при насыщении, С = мгновенная концентрация кремнезема, и к = постоянная скорости, равная 1,6 × 10⁻⁵, 3,0 × 10⁻⁵, 4,5 × 10⁻⁵ сек⁻¹ при 115°, 130°, и 140°C соответственно в 2 M Na-K карбонатных растворах при давлении 1 кбар. При 130°C величина C_s 0,177 М SiO₂ достигается в течение 30 часов и начинается образование филлипсита, клиноптилолита и морденита на 34, 64, и 76 часу соответственно в 2 M CO₃ 1:1 Na/K. Во врема растворения стекла и образования цеолита концентрация Аl как Аl(ОН)₄⁻ амортизирована при 3,7 × 10⁻⁴ M неидентифицированной фазой. Отношение SiO₂ и Al(OH)₄⁻ при появлении образования цеолита равно 475. В 2 M CO₃ растворе кристаллизация филлипсита начинается на 144 часу при 115°C, на 34 часу при 130°C;, и на 20 часу при 140°C. Кристаллизация филлипсита начинается на 48 часу в 1,5 M CO₃, на 168 часу в 1,0 M CO₃, и после более 550 часов в 0,2 M CO₃ при 140°C;. Дополнительно к катализу OH⁻ появляется также CO₃^2-, чтобы катализировать процессы растворения стекла и образования цеолита. Филлипсит является термодинамически нестабильным по отношению к клиноптилолиту и мордениту в кремнеземобогатых щелочных гидротермальных растворах. Сначала образуется филлипсит, за ним следует клиноптилолит и потом морденит. Образованию филлипсита способствовали условия опытов продолжительностью одной недели при температуре менее 150°C и для К-богатых жидкостей. Образованию клиноптилолита благоприятствовали условия опытов продолжительностью более одной недели при температуре менее 150°C и для К-богатых жидкостей. Образованию морденита способствовали условия опытов продолжительностью более одной недели при температуре более 140°C и для Na-богатых жидкостей. Во время 8-дневного периода при 140°C образованию клиноптилолита способствовало соотношение жидкость: твердый реагент (объем: масса) менее, чем 1,0, морденита—соотношение от 0,85 до 1,5 и филлипсита—соотношение более 1,5. Механизм образования различных цеолитов, в особенности филлипсита, может включать кремнеземные циклические тетрамеры, которые многочисленны в концентрированных растворах при щелочных гидротермальных условиях, но которые почти отсутствуют в разбавленных низкотемпературных растворах. Таким образом, результаты гидротермальных экспериментов не могут быть непоредственно использованы при образовании цеолита при низких температурах. [E.C.]

Resümee

Nach einem temperaturunabhängigen Zeitabschnitt, in dem die Auflösung gering ist, kann die Auflösung von Rhyolithglas durch dC/dt = k(C_s − C) beschrieben werden, wobei C_s die Konzentration an gelöstem SiO₂ bei Sättigung und C die augenblickliche SiO₂-Konzentration ist; k, eine Geschwindigkeitskonstante beträgt 1,6 × 10⁻⁵, 3,0 × 10⁻⁵, und 4,5 × 10⁻⁵ sec⁻¹ bei 115°, 130°, und 140°C in 2 M Na-K-Karbonatlösungen und bei 1 kbar Druck. Bei 130°C wird ein C_s-Wert von 0,177 M SiO₂ in 30 Std erreicht; Phillipsit, Klinoptilolith und Mordenit beginnen nach 34, 64 bzw. 76 Stunden, sich in einer 2 M CO₃, 1:1 Na/K zu bilden. Während der Auflösung des Glases und der Zeolithbildung wird die Al-Konzentration als Al(OH)₄⁻ durch eine nicht identifizierte Phase bei 3,7 × 10⁻⁴ gepuffert. Das SiO₂ zu Al(OH)₄⁻ Verhältnis beträgt zu Beginn der Zeolithbildung 475. Die Kristallisation von Phillipsit beginnt in 2 M CO₃-Lösung nach 144 Stunden bei 115°C, nach 34 Stunden bei 130°C, und nach 20 Stunden bei 140°C. In 1,5 M CO₃ beginnt die Phillipsitkristallisation nach 48 Stunden, in 1,0 M CO₃ nach 168 Stunden, und nach über 550 Stunden in 0,2 M CO₃ bei 140°C. Zusätzlich zur Katalysierung durch OH⁻ scheint auch CO₃^2- die Auflösung des Glases und die Zeolithbildung zu katalysieren.

Thermodynamisch ist Phillipsit im Vergleich zu Klinoptilolith und Mordenit in SiO₂-reichen alkalischen hydrothermalen Lösungen instabil. Phillipsit bildet sich zuerst, danach entsteht Klinoptilolith und danach Mordenit. Die Phillipsitbildung wird durch eine Reaktionszeit von 1 Woche, Temperaturen unter 150°C und K-reichen Lösungen begünstigt. Klinoptilolith bildet sich bevorzugt bei Reaktionszeiten über einer Woche, Temperaturen unter 150°C und K-reichen Lösungen. Die Mordenitbildung wird durch Reaktionszeiten über einer Woche, Temperaturen über 140°C, und Na-reichen Lösungen begünstigt. Bei einer Reaktionszeit von 8 Tagen und bei 140°C wird die Bildung von Klinoptilolith durch ein Lösung/Festsubstanz-Verhältnis unter 1,0 begünstigt, die von Mordenit durch Verhältnisse von 0,85 bis 1,5 und die von Phillipsit durch Verhältnisse über 1,5. Der Bildungsmechanismus der verschiedenen Zeolithe, vor allem der von Phillipsit, kann mit zyklischen SiO₂-Tetrameren zusammenhängen, die in konzentrierten Lösungen unter alkalischen hydrothermalen Bedingungen häufig sind, aber in verdünnten niedrig temperierten Lösungen nahezu fehlen. Aus diesem Grund können die Ergebnisse der hydrothermalen Experimente nicht direkt auf die Zeolithbildung bei niedrigen Temperaturen angewendet werden. [U.W.]

Résumé

Après une période dépendante de la température pendant laquelle se passe peu de dissolution, la dissolution de verre rhyolitique peut être décrite comme dC/dt = k(C_s − C), où C_s est la concentration de la silice dissoute au point de saturation, C est la concentration instantannée de silice, et k est un taux constant égal à 1,6 × 10⁻⁵, 3 × 10⁻⁵, et 4,5 × 10⁻⁵ sec⁻¹ à 115°C, 130°C, et 140°C, respectivement, dans une solution carbonate 2 M Na-K à 1 kbar de pression. A 130°C, une valeur pour C_s de 0,177 M SiO₂ est atteinte en 30 heures, et de la phillipsite, de la clinoptilolite, et de la mordenite commencent à se former en 34, 64, et 76 heures respectivement, dans 2 M CO₃, 1:1 Na/K. Pendant la dissolution du verre et la formation de zéolite, la concentration d'Al en tant qu'Al(OH)₄⁻ est amoindrie à 3,7 × 10⁻⁴ par une phase non-identifiée. La proportion de SiO₂ à Al(OH)₄⁻ au début de la formation de la zéolite est 475. Dans une solution 2 M CO₃, la cristallisation de phillipsite commence après 144 heures à 115°C, après 34 heures à 130°C, et après 20 heures à 140°C. La cristallisation de phillipsite commence après 48 heures dans 1,5 M CO₃, après 168 heures dans 1,0 M CO₃, et après plus de 550 heures dans 0,2 M CO₃ à 140°C. En plus de la catalyse d'OH⁻, CO₃^2- semble aussi catalyser les procédés de dissolution de verre et de formation de zéolite.

Thermodynamiquement parlant, la phillipsite est instable en comparaison avec la clinoptilolite et la mordenite dans des solutions hydrothermales alkalines riches en silice. La phillipsite est formée en premier lieu, suivie de la clinoptilolite et puis de la mordenite. La formation de phillipsite est favorisée par des expériences d'une semaine, des températures sous 150°C, et des fluides riches |en ^K. La formation de clinoptilolite est favorisée par des expériences de plus d'une semaine, des températures sous 150°C et des fluides riches |en ^K. La formation de mordenite est favorisée par des expériences de plus d'une semaine, des températures plus élevées que 140°C, et des fluides riches en Na. Dans des expériences de 8 jours à 140°C, la formation de clinoptilolite était favorisée par des taux de réaction liquide: solide (volume: masse) plus bas que 1,0, celle de la mordenite par des taux de 0,85 à 1,5, et celle de la phillipsite par des taux plus élevés que 1,5. Le mécanisme de formation des différentes zéolites, particulièrement de la phillipsite, peut impliquer de tétramères silice-cycliques qui abondent dans des solutions concentrées sous des conditions hydrothermales alkalines, mais qui sont quasi absentes dans des solutions diluées à basses températures. Ainsi, les résultats d'expériences hydrothermales ne peuvent pas être directement appliquables à la formation de zéolite à de basses températures. [D.J.]