Mechanism of montmorillonite structure degradation by percussive grinding

Abstract

The processes taking place during decomposition of montmorillonite by percussive grinding have been studied by IR, X-ray and DTA methods. Destruction can be described as a series of parallel changes in the montmorillonite structure which proceed at various rates. The fastest is a change in status of the exchangeable cations followed by that of the hydroxyl groups. The slowest degradation process is the separation of tetrahedral and octahedral sheets. Degradation of the structure proceeds by delamination of particles, breaking of layers, crushing of layers by shocks perpendicular to the ab-direction, rearrangement of coordination polyhedra and transfer of protons within the structure. The relative importance of each of these processes is evaluated. It is assumed that the matrix resulting from complete breakdown of the montmorillonite structure consists mainly of the residue of tetrahedral sheets and deformed incomplete tetrahedra and octahedra, or of individual atoms held together in clumps either by Van der Waals forces or possibly, in some cases, by newly formed chemical bonds.

Résumé

Les phénomènes ayant lieu lors de l'altération de la montmorillonite par broyage sous choc ont été étudiés par infra-rouge, diffraction des rayons X et ATD. La destruction peut être décrite comme une série de changements paralleles dans la structure de la montmorillonite qui s'effectuent à des vitesses différentes. Le plus rapide est le changement dans la capacité d'échange d'ions, suivi par celui du nombre de groupes hydroxyles. Le procédé de destruction le plus lent est la séparation des plans tétraédriques et octaédriques. La dégradation de la structure s'obtient par la délamination des particules, rupture des feuillets, écrasement des feuillets par des chocs perpendiculaires au plan a-b, le réarrangement des polyèdres de coordination et le transfert de protons à l'intérieur de ces structures. L'importance relative de chacun de ces processus est évalué. On suppose que la matrice résultant de la destruction complète de la structure de la montmorillonite consiste essentiellement en résidus de plans tétraédriques, d'octaèdres et de tétraèdres incomplètement déormés ou d'atomes individuels tenus en aggrégat soit par des forces de Van der Waals soit dans certains cas par de nouvelles liaisons chimiques.

Kurzreferat

Mittels IR, Röntgendiffraktometrie und DTA wurden jene Vorgäng untersucht, die während der Destrukturierung von Montmorillonit durch fortgesetztes Reiben stattfinden. Die Zerstörung kann als Serie von parallelen Veränderungen in der Montmorillonit-struktur mit zeitlich differenziertem Ablauf beschrieben werden. Am schnellsten vollzieht sich ein Wechsel am Zustand der austauschbaren Kationen, gefolgt von dem der Hydroxylgruppen. Der langsamste Abbauprozeß ist die Auftrennung tetra- und oktaedrischer Schichten. Der Strukturabbau vollzieht sich durch Abblättern von Teilchen, Bruch von Schichten, Zerkleinerung letzterer durch Schlageinwirkung besonders auf die a/b-Ebene, Neuordnung der polyedrischen Koordination und Protonenübergang innerhalb der Struktur. Die relative Bedeutungjeder dieser Vorgänge wird bewertet. Es wird angenommen, daß die nach dem kompletten Zusammenbruch der Montmorillonitstruktur vorhandene Matrix hauptsächlich aus restlichen tetraedrischen Schichten und deformierten, unvollständigen Tetra- und Oktaedern besteht, oder aus Einzelatomen, welche in Gruppen entweder durch Van der Waal's Kräfte oder möglicherwiese in einigen Fällen durch neugebildete chemische Bindungen zusammenhalten.

Resumen

Los procesos que tienen lugar durante la alteración de la montmorillonita por molienda a percusión, han sido estudiados por espectroscopía IR, DRX y ATD. La destrucción puede ser descrita como una serie de cambios paralelos en la estructura de la montmorillonita con diferentes velocidades de desarrollo. El más rápido es una variación en el estado de los cationes interlaminares seguido por el de los grupos hidroxilos. El proceso más lento es la separación de las capas tetraédrica y octaédrica. La degradación de la estructura se produce por deslaminación de las particulas, rotura de láminas, plegamiento de las láminas por golpes perpendiculares al plano a/b, reorganización de los poliedros de coordinación y transferencia de protones en la estructura. Se ha calculado la importancia relativa de cada uno de dichos procesos. Se concluye que la matriz resultante de la completa destrucción de la estructura de la montmorillonita está formada principalmente por los residuos de la capa tetraédrica y las capas tetraédrica y octaédrica deformadas e incompletas, o de átomos individuales que se mantienen agrupados gracias alas fuerzas de Van der Waals o posiblemente, en algunos casos, a la formación de nuevos enlaces quimicos entre ellos.