Properties of Vermiculites and Smectites: Expansion and Collapse

Abstract

Samples of smectites and vermiculites were evaluated to (1) determine the effects of source and amount of charge, (2) determine if a continuum of properties exists, and (3) improve the basis for differentiating criteria for identification.

The montmorillonites expanded to the equivalent two-layer complex upon solvation by condensation of ethylene glycol or glycerol vapor. Beidellite exhibited the one-layer complex with glycerol vapor and the two-layer complex with ethylene glycol. The vermiculite samples did not yield regular two-layer complexes regardless of saturating cation, prior moisture or solvating agent. A number of different complexes of vermiculite were obtained depending on conditions of solvation. These corresponded to spacings of approx 13·6, 14·0, 14·3, 15·0, and 15·3 Å. Two or more of the complexes may be present in the same sample.

Potassium-saturated vermiculites and smectites both exhibited collapsed layers in a dry atmosphere. Hydration of smectites occurred at humidities above 20 per cent and resulted in poorly ordered diffraction maxima of 11–12 Å. The K-saturated vermiculites tended to retain the collapsed lattice and exhibited diffraction maxima of 10–10·6 Å with integral higher orders. Some hydration occurred as evidenced by peak asymmetry or the appearance of a small 14·3 Å line at higher humidities, although the collapsed spacing predominated. The tendency of vermiculite to hydrate decreased as the exchange capacity increased.

Differences in properties can be related to both source and amount of charge. Nevertheless, a continuum in the properties of expansion and collapse between the smectites and vermiculites was not observed. The data indicate two discrete populations. These properties may be used as differentiating criteria for identification.

Résumé

On a évalué des échantillons de smectite et de vermiculite afin de (1) déterminer les effets de la source et taux de charge (2) déterminer s’il existe un continuum de propriétés et (3) améliorer la base de différentiation des critères d’identification.

Les montmorillonites se sont dilatés vers le complexe équivalent à deux feuillets lors de la solvation par condensation de vapeur d’éthyléne-glycol ou de glycérol. Le beidellite a montré le complexe à une seule feuillet avec la vapeur de glycérol et le complexe à deux feuillets avec l’éthylène-glycol. Les échantillons de vermiculite n’ont pas donné des complexes réguliers à deux feuillets sans tenir compte du cation de saturation, de l’humidité antérieure ou de l’agent de solvation. On a obtenu un nombre de complexes différents de vermiculite selon les conditions de solvation. Ceux-ci correspondaient à des intervalles d’environ 13.6, 14,0, 14,3, 15,0 et 15,3 Å. Deux ou encore plus des complexes peuvent être présents dans le même échantillon.

Les vermiculites saturés de potassium ainsi que les smectites saturés du même élément ont tous les deux montré des feuillets effondrées en atmosphére sèche. L’hydratation des smectites a eu lieu à des humidités dépassant 20% et a eu pour résultat des maxima de diffraction sans ordre précis de 11–12 Å. Les vermiculites saturés de K ont eu tendance à retenir le réseau effondré et ont montré des maxima de diffraction de 10–10,6 Å avec des ordres supérieurs intégraux. Une certaine hydratation a eu lieu; cela est prouvé par l’asymmétrie de pic ou par la présence d’une petite ligne de 14,3 Å aux humidités plus élevées malgré la dominance de l’intervalle d’effondrement. La tendance vers l’hydratation du vermiculite réduisait à mesure que la capacité d’échange augmentait.

Les différences dans les propriétés montrent une certaine relation avec la source et la quantité de la charge. Pourtant on n’a pas observé un continuum dans les propriétés d’expansion et d’effondrement entre les smectites et les vermiculites, Les données indiquent deux populations discontinues. Ces propriétés peuvent être utilisées comme critères de différentiation en vue de l’identification.

Kurzreferat

Es wurden Smectit- und Vermiculitproben verwendet, um (1) Wirkungen der Ladungsquelle und Ladungsmenge zu bestimmen, (2) um festzustellen, ob ein Kontinuum der Eigenschaften besteht, und (3) um die Basis für eine Differenzierung der Identifizierungskriterien zu verbessern.

Bei der Solvatation durch Kondensierung von Äthylenglykol- oder Glyzerindämpfen quollen die Montmorillonite zu den entsprechenden Zweischichtenkomplexen an. Beidellit ergab einen Einschichtenkomplex mit Glyzerindampf und einen Zweischichtenkomplex mit Äthylenglykol. Die Vermiculitproben ergaben unabhängig vom Sättigungskation, der Vorbefeuchtung oder dem Solvatationsmittel keine regulären Zweischichtenkomplexe. Je nach den Solvatationsbedingungen wurde eine Reihe verschiedener Vermiculitkomplexe erhalten, welche Abständen von etwa 13,6, 14,0, 14,3, 15,0 und 15,3 Å entsprechen. In der gleichen Probe können zwei oder mehrere der Komplexe anwesend sein.

Vermiculite und Smectite, die mit Kalium gesättigt waren, wiesen in einer trockenen Umgebung zusammengeklappte Schichten auf. Die Hydratation der Smectite trat bei Feuchtigkeiten von über 20% auf und ergab schlecht geordnete Beugungsmaxima von 11–12 Å. Die K-gesättigtem Vermiculite neigten dazu, die zusammengeklappten Gitter beizubehalten und wiesen Beugungsmaxima von 10–10,6 Å mit ganzzahligen, höheren Ordnungen auf. Wie aus der Spitzenasymmetrie oder dem Auftreten einer geringen 14,3 Å Linie hervorgeht, tritt bei höheren Feuchtigkeitsgehalten etwas Hydratation auf, jedoch herrschen die zusammengeklappten Abstände vor. Mit zunehmender Austauschkapazität nahm die Neigung des Vermiculits zur Hydratation ab.

Die Unterschiede in den Eigenschaften können sowohl mit der Ladungsquelle ats auch mit der Ladungsmenge in Beziehung gebracht werden. Hingegen konnte eine Kontinuum in den Quell- und Zusammenklappeigenschaften der Smectite und Vermiculite nicht beobachtet werden. Die Daten deuten auf zwei getrennte Systeme hin. Diese Eigenschaften können als differenzierende Kriterien für die Identifizierung herangezogen werden.

Резюме

Образцы сукновальных глин и вермикулитов изучались: (1) для определения эффекта источника и размера изменения; (2) для определения наличия непрерывности свойств, и (3) для усовершенствования базиса отличающих критериев, требуемых для отождествления.

Монтмориллониты вспучиваются до эквивалента двухслойного комплекса при сольватации конденсацией этиленгликоля или паров глицерина. Бейделлит показал однослойный комплекс с парами глицерина, а двухслойный комплекс с этиленогликолем. Образцы вермикулита не дали регулярных двухслойных комплексов независимо от пропитывающего катиона, предшествующей влаги или сольватирующего агента. Соответствуют они расстояниям прибл. 13, 6; 14, 0; 14, 3; 15, 0 и 15, 3 А. В одном и том же образце может присутствовать по два комплекса или более.

Как насыщенные калием вермикулиты, так и сукновальные глины показали в сухой атмосфере обрушенные слои. Гидратация сукновальных глин произошла при влажности свыше 20% и дала впоследствии плохо распределенные диффракционные максимуму 11–12 А. Насыщенные калием вермикулиты обычно сохраняют обрушенную решетку и показывают диффракционные максимумы 10-10,6 А при интегрально более высоком порядке. Некоторая гидратация произошла, как это доказывается пиковой ассиметрией или появлением небольшой линии 14,3 А при более высоких влажностях, хотя преимущественным были обрушенные расстояния. По мере увеличения обменной способности уменьшилась склонность вермикулита гидратироваться.

Разницу в свойствах можно сопоставить как с источником, так и с размером заряда. Несмотря на это, непрерывность свойств увеличения в объеме и обрушения между сукновальными глинами и вермикулитами не наблюдалась. Свойствами этими можно пользоваться как различающими критериями для отождествления.