Boron Adsorption by Clay Minerals Using a Phenomenological Equation

Abstract

Boron adsorption by Ca forms of montmorillonite, illite, and kaolinite was determined as a function of pH and boron concentration in solution. Data from batch experiments were compared with results computed for each clay according to fitted adsorption coefficients (maximum boron adsorption and affinity constants related to the binding energy). The agreement between calculated values and experimental results indicates that a phenomenological equation can be used to predict boron adsorption on clays as a function of both of these variables. For the solution-to-clay ratios examined, the water content does not affect the boron-surface interaction as expressed by the above adsorption parameters. Because the affinity of clays for B(OH)₄⁻ is much stronger than for B(OH)₃ , the adsorption maximum was obtained only under alkaline conditions at approximately pH 9.0 to 9.7. It is suggested that the pH of maximum adsorption is a function of the ratios of affinity coefficients of the three species B(OH)₃, B(OH)₄⁻, and OH⁻ competing for the same adsorption sites. The adsorption coefficients indicate that in some cases the difference in the amount of adsorbed boron between montmorillonite and kaolinite could be either small or large, depending on the circumstances. The main factor that would affect this difference is the total amount of boron in the suspension. Estimated value of the adsorption maximum was 2.94, 11.8 and 15.1 µmole/g for Ca-kaolinite, Ca-montmorillonite, and Ca-illite, respectively.

Резюме

Адсорбция бора Са-формами монтмориллонита, иллита, и каолинита определялась как функция рН и концентрации бора в растворе. Данные предварительных экспериментов сравнивались с расчетными данными для каждой глины в соответствии с установленными коэффициентами адсорбции (максимальная адсорбция бора и константы химического сродства соответствующие энергии связи). Согласие между расчётными и экспериментальными данными указывает, что простое феноменологическое уравнение может быть использовано для предвидения адсорбции бора на глинах как функции этих двух переменных. Для исследованных соотношений растворглина содержание воды не влияет на взаимодействие бор-поверхность, как это выражается вышеуказанными параметрами адсорбции. В связи с тем, что химическое сродство глин с В(ОН)₄⁻ гораздо сильнее, чем с В(ОН)₃, максимум адсорбции был получен только в щелочных условиях при рН приблизительно 9,0-9,7. Это указывает на то, что рН максимальной адсорбции является функцией соотношения коэффициентов химического сродства В(ОН)₃, В(ОН)₄⁻, и ОН⁻, конкурирующих о занятие одних и тех же мест адсорбции. Коэффициенты адсорбции указывают, что в некоторых случаях разница в количестве бора, адсорбированного монтмориллонитом и каолинитом, может быть маленькой или большой в зависимости от обстоятельств. Главный фактор, который влияет на эту разницу, это целое количество бора в суспензии. Определённая величина максимальной адсорбции составляла 2,94, 11,8, и 15,1 µMоль/г для Сакаолинита, Са-монтмориллонита и Са-иллита соответственно. Адсорбция бора на Са-иллите и Na- и Са-монтмориллонитах неодинокова несмотря на подобие площадей поверхности краев. [Е.С.]

Resümee

Die Bor-Adsorption durch Ca-Formen von Montmorillonit, Illit, und Kaotinit wurde als eine Funktion des pH-Wertes und der Bor-Konzentration in der Lösung bestimmt. Die Daten von “batch” Versuchen wurden mit Ergebnissen verglichen, die für jeden Ton mittels Adsorptionskoeffizienten—via Ausgleichsrechnungen—(maximale Bor-Adsorption und Affinitätswerte entsprechend der Bindungsenergie) berechnet wurden. Die Übereinstimmung zwischen den berechneten Werten und den experimentellen Ergbnissen deutet darauf hin, daß eine einfache empirische Gleichung verwendet werden kann, um die Bor-Adsorption an Tone als eine Funktion beider Variablen voraussagen zu können. Für die untersuchten Lösung/Ton-Verhältnisse spielt der Wassergehalt für die Wechselwirkung Bor-Oberfläche keine Rolle, wie aus den o.a. Adsorptionsparametern hervorgeht. Da die Affinität der Tone für B(OH)₄⁻ viel größer ist als für B(OH)₃, wurde das Adsorptionsmaximum nur unter alkalischen Bedingungen, bei etwa pH 9,0–9,7, erreicht. Es wird angenommen, daß der pH-Wert der maximalen Adsorption eine Funktion der Verhältnisse der Affinitätskoeffizienten der drei Arten, B(OH)₃, B(OH)₄⁻ und OH⁻, ist, die die gleichen Positionen besetzen wollen. Die Adsorptionskoeffizienten deuten darauf hin, daß in manchen Fällen der Unterschied im Betrag des adosrbierten Bor zwischen Montmorillonit und Kaolinit entweder klein oder groß sein kann, entsprechend den Umständen. Der wichtigste Faktor, der diesen Unterschied beeinflußt, ist der Gesamtgehalt an Bor in der Suspension. Der geschätzte Wert für die maximale Adsorption war 2,94, 11,8, bzw. 15,1 µMol/g für Ca-Kaolinit, Ca-Montmorillonit, bzw. Ca-Illit. Die Bor-Adsorption von Ca-Illit, und Na- und Ca-Montmorillonit ist trotz der Ähnlichkeit der Oberflächen an den Ecken nicht die gleiche. [U.W.]

Résumé

L'adsorption de boron par des formes Ca de montmorillonite, d'illite, et de kaolinite a été déterminée en fonction du pH et de la concentration du boron en solution. Les données d'expériences de fournée ont été comparées avec les résultats calculés pour chaque argile suivant des coefficients d'adsorption appropriés (adsorption maximum de boron et constantes d'affinités apparentées à l’énergie de liaison). L'accord entre les valeurs calculées et les résultats expérimentaux indique qu'une simple équation phénoménologique peut être utilisée pour prédire l'adsorption de boron sur des argiles en fonction de r deux variables. Pour les proportions de solution-argile examinées, le contenu en eau n'affecte pas l'interaction boron-surface exprimée par les paramètres d'adsorption sus-mentionés. Parceque l'affinité des argiles pour B(OH)₄⁻ est plus forte que pour B(OH)₃, le maximum d'adsorption n'a été obtenu que sous des conditions alkalines à un pH d'approximativement 9,0 à 9,7. On a suggéré que le pH du maximum d'adsorption est une fonction des proportions des coefficients d'affinité des 3 espèces B(OH)₃, B(OH)₄⁻, et OH⁻ en compétition pour les mêmes sites d'adsorption. Les coefficients d'adsorption indiquent que dans certains cas, la différence de quantit'e de boron adsorbé entre la montmorillonite et la kaolinite, pouvait étre soit grande, soit petite, selon les circonstances. Le facteur majeur qui pourrait affecter cette différence est la quantité totale de boron dans la suspension. Les valeurs estimées pour le maximum d'adsorption étaient 2,94, 11,8, et 15,1 µmole/g pour la kaolinite-Ca, la montmorillonite-Ca, et l'iilite-Ca, respectivement. L'adsorption de boron sur l'illite-Ca et sur la montmorillonite-Na et -Ca n'est pas la même, malgré la similarité de l'aire de surface des bords. [D.J.]