The reaction of ammonia with vermiculite and hydrobiotite

Abstract

The reaction of ammonia with Mg-saturated vermiculite and hydrobiotite was studied by chemical analysis, X-ray diffraction, and differential thermal analysis, and the hydrobiotite also by infrared spectroscopy. The experimental evidence indicates that ammonia is adsorbed mainly as the ammonium ion, formed partly by reaction with interlayer water and partly by reaction with protons dissociated from octahedral layer hydroxyl groups, giving a single sheet of ions and molecules with irregular interlayer spacing. With large flakes (0.5–1.0 mm) the adsorbed ammonia is strongly retained on heating or on rehydration with water vapour: smaller flakes lose ammonia more readily. Ammonia uptake is related quantitatively to cation exchange capacity with two vermiculites and three hydrobiotites, and to the water content prior to adsorption.

Na-saturated vermiculite adsorbs a similar amount of ammonia to the Mg form, but it is mostly desorbed on rehydration. Cu-saturated vermiculite displays intermediate behaviour, with much of the ammonia initially present as a Cu-ammine which slowly reacts to give more ammonium ion.

Résumé

La réaction d'ammoniac avec de la vermiculite saturée de Mg et de l'hydrobiotite a été étudiée par analyse chimique, diffraction des rayons X et analyse thermique différentielle, ainsi que par spectroscopie infrarouge pour l'hydrobiotite. Les constatations expérimentales indiquent que l'ammoniac est adsorbée principalement en tant qu'ions d'ammonium, formés en partie par réaction avec l'eau des intercouches et en partie par réaction avec des protons dissociés des groupes hydroxyles de la couche octaédrique, donnant un feuillet simple d'ions et de molécules avec espacements intercouches irréguliers. Avec de gros flocons (0.5–1 mm), l'ammoniac adsorbé est fortement retenu en chauffant ou en réhydratant à la vapeur d'eau; des flocons plus petits perdent l'ammoniac plus facilement. L'adsorption d'ammoniac est en relation quantitative au pouvoir d'échange de cations avec deux vermiculites et trois hydrobiotites, et à teneur en eau avant l'adsorption.

De la vermiculite saturée en Na adsorbe une quantité d'ammoniac similaire à celle adsorbée par la vermiculite saturée en Mg, mais à la réhydratation, la désorption est presque complète pour la première forme de vermiculite. De la vermiculite saturée en Cu présente un comportement intermédiaire, avec une grande partie de l'ammoniac présent à l'origine sous forme d'amine-Cu qui réagit lentement pour donner davantage d'ions d'ammonium.

Kurzreferat

Es wurde die Reaktion von Ammoniak mit Mg-gesättigtem Vermiculit und Hydrobiotit untersucht, und zwar durch chemische Analyse, Röntgen-beugung und Differentialwärmeanalyse; Untersuchung von Hydrobiotit ausserdem durch Infrarotspektroskopie. Die Versuchsergebnisse weisen darauf hin, dass Ammoniak in der Hauptsache als Ammonium-Ion adsorbiert wird, das sich teils durch Reaktion mit Zwischenlagenwasser und teils durch Reaktion mit Protonen bildet, die von den Oktohedrallagen-Hydroxylgruppen dissoziiert werden, wodurch sich eine Einzellage von Ionen und Molekülen mit unregelmässigen Zwischenlagenabständen ergibt. Bei grossen Flocken (0.5–1.0 mm) wird das adsorbierte Ammoniak bei Erwärmen oder Rehydrierung durch Wasserdampf fest gehalten; kleinere Flocken verlieren Ammoniak leichter. Die Ammonia-kaufnahme zeigt eine quantitative Relation zur Kationenaustauschkapazität der beiden Vermiculite und drei Hydrobiotite und zum Wassergehalt vor Adsorbierung.

Na-gesättigtes Vermiculit adsorbiert eine ähnliche Ammoniakmenge wie die Mg-Form; es wird jedoch meistens bei Rehydrierung desorbiert. Cu-gesättigtes Vermiculit zeigt ein Verhalten, das in der Mitte liegt—ein beträchtlicher Teil des Ammoniaks liegt anfänglich als Cu-Ammin vor, das langsam reagiert, um mehr Ammonium-Ion zu ergeben.

Resumen

Se ha estudiado la reacción del amoníaco con vermiculita saturada de Mg e hidrobiotita empleando el análisis quimico, la difracción de rayos X y el análisis térmico diferencial, y también por espectroscopia de rayos infrarrojos en el caso de la hidrobiotita. La evidencia de los experimentos indica que se adsorbe amoníaco principalmente en forma del ion amonio, formado en parte por reacción con el agua del espacio entre capas y en parte por reacción con protones disociados de los grupos hidroxilos de las capas octaédricas, produciéndose una sola lámina de iones y moléculas con espaciamiento irregular entre capas. Con escamas grandes (0.5–1.0 mm) el amoníaco adsorbido queda retenido fuertemente al calentar o al rehidratar con vapor de agua: las escamas más pequeñas pierden el amoníaco más fácilmente. La adsorción del amoníaco se relaciona cuantitativamente con la capacidad de intercambio catiónico con dos vermiculitas y tres hidrobiotitas, y con el contenido de agua antes de la adsorción.

La vermiculita saturada de Na adsorbe una cantidad similar de amoníaco que la forma Mg, pero la mayor parte se deadsorbe al volver a hidratarse. La vermiculita saturada de Cu despliega un comportamiento intermedio, siendo mucho del amoníaco presente inicialmente de la forma Cu-amina que reacciona lentamente dando más iones amonio.