Hostname: page-component-78c5997874-lj6df Total loading time: 0 Render date: 2024-11-10T09:01:59.459Z Has data issue: false hasContentIssue false
  • English
  • Français

Neutron Diffraction from Clay-Water Systems

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

D. J. Cebula ,
R. K. Thomas ,
S. Middleton ,
R. H. Ottewill  and
J. W. White
D. J. Cebula
Affiliation:
Physical Chemistry Laboratory, South Parks Rd., Oxford OX1 3QZ
R. K. Thomas
Affiliation:
Physical Chemistry Laboratory, South Parks Rd., Oxford OX1 3QZ
S. Middleton
Affiliation:
School of Chemistry, Bristol University, Cantock's Close, Bristol BS8 1TS
R. H. Ottewill
Affiliation:
School of Chemistry, Bristol University, Cantock's Close, Bristol BS8 1TS
J. W. White
Affiliation:
Institut Laue-Langevin, BP 156, Centre de Tri, Grenoble 38042, Cedex, France
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Core share and HTML view are not available for this content. However, as you have access to this content, a full PDF is available via the ‘Save PDF’ action button.

The use of neutron diffraction to determine some of the structural properties of montmorillonite-water systems at low water concentrations is described. The samples were prepared by compression or suction to give clay samples with between one and three molecular layers of water between the plates.

About 10% of the platelets in the clay are randomly oriented. The remainder are partially oriented in the plane of the sample, with an angular spread of 40° about the mean orientation. It is suggested that these oriented domains are formed from the larger platelets present in the system. The Bragg diffraction pattern is better explained by a disordered lattice model rather than by a mixture model with small particles having a well-defined lattice spacing. We have fitted both the intensities of (00l) reflections and the shape of the (001) reflection quantitatively to a model which allows for a Gaussian spread of platelet spacing about a mean value. The half width of the spread is about 10% of the lattice spacing.

No significant structural differences are found between Li, Na, K, and Cs montmorillonites. The method of preparation has no effect on the structural properties of the large platelet particles but does affect the randomly oriented fraction. The lattice spacing of the latter appears to be better defined for samples prepared by compression.

Experiments on the variation of lattice spacing with humidity indicate that the structural model we have used is adequate except at humidities where the system is changing over from one to two, or two to three water layers.

Резюме

Резюме

Описывается использование нейтронной дифракции для определения не-которых структурных свойств систем монтмориллонит-вода при низкой концент-рации воды. Образцы приготавливались с помощью сжатия или высасывания, что-бы получить образцы глины, содержащие от одного до трех молекулярных слоев воды между пластинками.

Около 10% пластинок в глинах ориентированы беспорядочно. Остальные частич-но ориентированы в плоскости образца, с углом рассеивания в 40° к средней ориентации. Было предположено, что эти ориентированные домены формируются из больших пластин, присутствующих в системе. Диаграмма дифракции Брагга лучше объясняется моделью беспорядочной решетки, чем смешанной моделью с не-большими частицами, имеющими определенный параметр решетки. Мы привели в ко-личественное соответствие как интенсивности отражений (001), так и форму от-ражений (001) с моделью, которая дает примерно среднее значение для рассеи-вания Гауссиана, характеризующего промежутки между пластинками. Половина ши-рины рассеивания составляет около 10% параметра решетки.

Не было обнаружено значительных структурных различий между Li, Nа, К и Сs монтмориллонитами. Метод приготовления не влияет на структурные свойства больших пластинчатых частиц, но воздействует на беспорядочно ориентированную фракцию. Параметр решетки последней, повидимому, лучше определен для образ-цов, приготовленных с помощью сжатия.

Опыты по изменению параметра решетки в зависимости от влажности указывают, что структурная модель, которую мы использовали, отвечает требованиям, за иск-лючением таких влажностей, когда в системе наблюдаются изменения слоев воды от 1 до 2 или от 2 до 3.

Kurzreferat

Kurzreferat

Die Benutzung von Neutronendiffraktion für die Bestimmung von einigen strukturellen Eigenschaften von Montmorillonit-Wasser Systemen bei niedrigen Wasserkonzentrationen wird beschrieben. Die Proben wurden durch Kompression oder Saugen präpariert, um Tonproben mit einer bis drei Molekülschichten von Wasser zwischen den Platten zu ergeben. Ungefähr 10% der Plätt chen in dem Ton sind nicht geordnet. Der Rest ist teilweise in der Ebene der Probe angeordnet mit einer Winkelspanne von 40° um die mittlere Orientierung. Es wird vorgeschlagen, daß diese geordneten Bereiche von den im System anwesenden, größeren Plättchen geformt werden. Das Muster der Braggschen Diffraktion kann besser mit einem nicht geordneten Gittermodell erklärt werden als mit einem gemischten Modell, welches kleine Teilchen mit gut definierten Gitterabständen besitzt. Wir haben sowohl die Intensitäten der (001) Reflektionen wie auch die Ausmaße der (001) Reflektion quantitativ einem Modell angepaßt, welches eine Gaußsche Verteilung der Plättchenabstände zulässt. Die Halbweite der Verteilung ist etwa 10% der Gitterabstände. Keine bedeutenden strukturellen Unterschiede wurden unter Li, Na, K und Cs Montmorilloniten gefunden. Die Art der Ausführung der Präparation hat keinen Effekt auf die strukturellen Eigenschaften der großen Plättchen, beeinflußt jedoch den nicht geordneten Anteil. Der Gitterabstand der letzteren scheint besser definiert zu sein für Proben, die durch Kompression hergestellt werden. Experimente mit der Variation der Gitterabstünde mit Luftfeuchtigkeit deuten an, daß das strukturelle Modell, mit Ausnahme von Luftfeuchtigkeiten, bei denen das System von 1 auf 2 oder 2 auf 3 Wasserschichten überwechselt, hinreichend ist.

Résumé

Résumé

L'emploi de la diffraction de neutrons pour déterminer certaines propriétés de la structure des systèmes montmorillonite-eau à de basses concentrations d'eau est décrite. Les échantillons ont été préparés soit par compression, soit par aspiration, pour donner des échantillons d'argile ayant entre un et trois feuillets moléculaires d'eau entre les plaquettes. A peu près 10% des plaquettes dans l'argile sont orientées au hasard. Le reste est partiellement orienté dans le plan de l’échantillon, avec une envergure d'angle de 40° par rapport à l'orientation moyenne. Il est suggéré que ces domaines sont formés par les plus grandes plaquettes présentes dans le système. Les diagrammes de diffraction de Bragg sont mieux expliqués par un modèle de réseau cristallin désordonné que par un modèle de mélange contenant de petites particules ayant une périodicité d’édifice cristallin bien déterminée. Nous avons quantitativement ajusté à la fois les intensités des réflexions (001) et la forme des réflexions (001) à un modèle qui permet une envergure de Gauss à la périodicité de plaquettes autour d'une valeur moyenne. La moitié de la largeur de cette envergure est d'environ 10% de la périodicité du réseau cristallin. Il n'a été trouvé aucune difference significative de structure entre les montmorillonites Li, Na, K et Cs. La méthode de préparation n'a aucun effet sur les propriétés de la structure des particules à larges plaquettes, mais affecte la pattie orientée au hasard. La périodicité du réseau cristallin de cette partie semble mieux définie dans les échantillons préparés par compression. Des expériences sur la variation de la périodicité de l’édifice cristallin due à l'humidité indiquent que le module que nous avons employé est adéquat sauf à des humidités où le système change d'une à deux, ou de deux à trois couches d'eau.

Keywords

HumidityMontmorilloniteNeutronQuasielastic
Type
Research Article
Information
Clays and Clay Minerals , Volume 27 , Issue 1 , February 1979 , pp. 39 - 52
Copyright
Copyright © 1979, The Clay Minerals Society

References

Adams, J. M., Reid, P. I., Thomas, J. M. and Walters, M. J. (1976) On the hydrogen atom positions in a kaolinite; formamide intercalate: Clays & Clay Minerals 24, 267–269.CrossRefGoogle Scholar
Anderson, D. M. (1966) The interface between ice and silicate surfaces: J. Colloid Interface Sci. 25(2), 174–191.CrossRefGoogle Scholar
Aylemore, L. A. G. (1977) Microporosity in montmorillonite from nitrogen and carbon dioxide sorption: Clays & Clay Minerals 25, 148–154.CrossRefGoogle Scholar
Barclay, L. and Ottewill, R. H. (1970) Measurement of forces between colloidal particles: Spec. Discuss. Faraday Soc. 1, 138–147.CrossRefGoogle Scholar
Brown, G. (Editor) (1961) The X-ray Identification of Crystal Structures of Clay Minerals: Mineral. Soc., London.Google Scholar
Buerger, J. (1967) Crystal Structure Analysis, p. 217: Wiley, New York.Google Scholar
Callaghan, I. C. and Ottewill, R. H. (1974) Interparticle forces in montmorillonite gels: Discuss. Faraday Soc. 57, 110–118.CrossRefGoogle Scholar
Cebula, D. J., Thomas, R. K., Harris, N. M., Tabony, J. and White, J. W. (1978) Neutron scattering from colloids: Discuss. Faraday Soc. 65(in press).Google Scholar
Diamond, S. (1971) Microstructure and pore structure of impact-compacted clays: Clays & Clay Minerals 19, 239–249.CrossRefGoogle Scholar
Fink, D. H. (1977) Internal surface area of Wyoming Bentonite from swelling relationships: Clays & Clay Minerals 25, 196–200.CrossRefGoogle Scholar
Graham, J. (1964) Adsorbed water on clays: Rev. Pure Appl. Chem. 14, 81–90.Google Scholar
Guinier, A. (1963) X-ray Diffraction, pp. 143, 265: Freeman and Co. San Francisco.Google Scholar
Güven, N. (1975) Evaluation of bending effects of diffraction intensities: Clays & Clay Minerals 23, 272–277.CrossRefGoogle Scholar
Haywood, B. C. G. and Worcester, D. L. (1973) A simple neutron guide tube and diffractometer for small-angle scattering of cold neutrons: J. Phys. E. 6, 658–671.Google ScholarPubMed
Hougardy, J., Stone, W. E. and Fripiat, J. J. (1976) NMR study of adsorbed water. I. Molecular orientation and protonic motions in the two layer hydrate of a Na vermiculite: J. Chem. Phys. 64(9), 3840–3851.CrossRefGoogle Scholar
Institut Laue-Langevin (1977) Neutron beam facilities at the HFR available for users: Institut Laue-Langevin, Grenoble, France.Google Scholar
Jacrot, B. (1976) The study of biological structures by neutron scattering from solution: Rep. Prog. Phys. 39, 911–953.CrossRefGoogle Scholar
Keren, R. and Shainberg, I. (1975) Water vapor isotherms and heat of immersion of Na/Ca-montmorillonite systems—1: homoionic clay: Clays & Clay Minerals 23, 193–200.CrossRefGoogle Scholar
Kodama, H., Gatineau, L. and Meyring, J. (1971) An analysis of X-ray diffraction line profiles of microcrystalline muscovites: Clays & Clay Minerals 19, 405–413.CrossRefGoogle Scholar
Mitchell, W. A. (1953) Oriented-aggregate specimens of clay for X-ray analysis made by pressure: Clay Miner. Bull. 2, 76–77.CrossRefGoogle Scholar
Mooney, R. W., Keenan, A. G. and Wood, L. A. (1952) Adsorption of water vapor by montmorillonite. I. Heat of desorption and application of BET theory: J. Am. Chem. Soc. 74 (6), 1367–1371. II. Effect of exchangeable ion and lattice swelling as measured by X-ray diffraction: J. Am. Chem. Soc. 74 (6), 1371–1375.CrossRefGoogle Scholar
Norrish, K. (1954) The swelling of montmorillonite: Discuss. Faraday Soc. 18, 120–134.CrossRefGoogle Scholar
O'Brien, F. E. M. (1948) The control of humidity by saturated salt solutions: J. Sci. Instrum. 25, 73–76.CrossRefGoogle Scholar
Plançon, A. and Tchoubar, C. (1977) Determination of structural defects in phyllosilicates by X-ray powder diffraction. I. Principle of calculations of the diffraction pattern: Clays & Clay Minerals 25, 430–435. II. Nature and proportion of defects in natural kaolinites: Clays & Clay Minerals 25, 436–450.CrossRefGoogle Scholar
van Olphen, H. (1977) An Introduction to Clay Colloid Chemistry, 2nd edition: Wiley, New York.Google Scholar
Rowell, D. L. (1965) Influence of positive charge on the inter- and intra-crystalline swelling of oriented aggregates of Na montmorillonite in NaCl solutions: Soil Sci. 100, 340–347.CrossRefGoogle Scholar
Saxena, A. M. and Schoenborn, B. P. (1977) Correction factors for neutron diffraction from lamellar structures: Acta Crystallogr. A33, 813–818.CrossRefGoogle Scholar
Schmatz, W., Springer, J., Schelten, J. and Ibel, K. (1974) Neutron small-angle scattering: Experimental techniques and applications: J. Appl. Crystallogr. 7, 96–116.CrossRefGoogle Scholar
Shaw, H. F. (1972) The preparation of oriented clay mineral specimens for X-ray diffraction analysis by a suction-onto-tile method: Clay Miner. 9, 349–350.CrossRefGoogle Scholar
Taylor, R. and Norrish, K. (1966) The measurement of orientation distribution and its application to quantitative X-ray diffraction analysis: Clay Miner. 6, 127–142.CrossRefGoogle Scholar
Tchalenko, J. S., Burnett, A. D. and Hung, J. J. (1971) The correspondence between optical and X-ray measurements of particle orientation in clays: Clay Miner. 9, 47–70.CrossRefGoogle Scholar
Williams, D. G. and Garey, C. L. (1974) Crystal imperfections with regard to direction in kaolinite mineral: Clays & Clay Minerals 22, 117–125.CrossRefGoogle Scholar
Willis, B. T. M. (Editor) (1972) Chemical Applications of Thermal Neutron Scattering: Oxford University Press, Oxford.Google Scholar