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Cation and Anion Retention by Natural and Synthetic Allophane and Imogolite

Published online by Cambridge University Press:  02 April 2024

C. J. Clark*
Affiliation:
Department of Agronomy, Cornell University, Ithaca, New York 14853
M. B. McBride
Affiliation:
Department of Agronomy, Cornell University, Ithaca, New York 14853
*
1Present address: Ruakura Soil and Plant Research Station, Private Bag, Hamilton, New Zealand.
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Abstract

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The negative surface charge of synthetic allophanes with a range of Si/Al ratios decreased and positive charge increased with increasing alumina content at a given pH. The phosphate adsorption capacity also increased with increasing Al content. That this relationship between composition and chemical reactivity was not found for the soil allophanes is attributed to the presence of specifically adsorbed organic or inorganic anions on the natural material. Both synthetic and natural imogolites had a much lower capacity to adsorb phosphate than the allophanes and adsorbed anomalously high amounts of Cl and ClO4 at high pH. It is proposed that intercalation of salt occurs in imogolite, although electron spin resonance studies using spin probes failed to reveal the trapping of small organic molecules in imogolite tubes. These spin probes in the carboxylated form did, however, suggest an electrostatic retention of carboxylate by imogolite and a more specific adsorption by allophane involving ligand exchange of surface hydroxyl. The results illustrate the inherent differences in charge and surface properties of allophane and imogolite despite the common structural unit which the two minerals incorporate.

Резюме

Резюме

При данным pH и увеличивающимся содержании окиси алюминия отрицательный поверхностный заряд синтетических аллофанов с различными отношениями Si/Al уменьшался, а положительный заряд—увеличивался. Способность адсорбции фосфата также увеличивалась. Факт, что эта зависимость между составом и химической активностью не находилась для почвенных аллофанав, объясняется присутствием специфически адсорбированных органических и неорганических анионов в натуральном материале. Оба, синтетический и натуральный, имоголиты имели значительно меньшие способности адсоробции фосфата, чем аллофаны, и адсорбировали аномально большие количества Cl и СlO4 при больших величинах pH. Предполагается, что прослойка соли назодится в имоголите, хотя исследования при помощи электронного спинового резонанса с использованием спиновых зондов не показали захватов малых органических молекул в трубках имоголита. Эти спиновые зонды в карбоксилированной форме показали, однако, электростатическое сохранение карбоксильных групп имоголитом и более специфическую адсорбцию аллофанами, включая лигандовый обмен поверхностных гидроксильных групп. Эти результаты указывают на врожденные различия в величинах заряда и свойствах поверхности аллофана и имоголита, несмотря на общую структурную единицу, котурую оба минерала включают. [E.G.]

Resümee

Resümee

Die negative Oberflächenladung von synthetischen Allophanen mit unterschiedlichen Si/Al-Verhältnissen nahm mit zunehmendem Al2O3-Gehalt bei einem gegebenen pH ab, während die positive Ladung zunahm. Die Phosphatadsorptionskapazität nahm ebenfalls mit zunehmendem Al-Gehalt zu. Daß diese Beziehung zwischen Zusammensetzung und chemischer Reaktionsfähigkeit bei Boden-Allo-phanen nicht gefunden wurde, wird auf die Anwesenheit von spezifisch adsorbierten organischen oder anorganischen Anionen auf dem natürlichen Material zurückgeführt. Sowohl synthetische als auch natürliche Imogolite hatten eine viel niedrigere Phosphatadsorptionskapazität als die Allophane und adsorbierten ungewöhnlich große Mengen von Cl und ClO4 bei hohen pH-Werten. Es wird vorgeschlagen, daß in den Imogoliten ein Einbau von Salz auftritt, obwohl Elektronenspinresonanz-Untersuchungen mit Spinproben keine Einschlüsse von kleinen organischen Molekülen in den Imogolit-Röhren ergaben. Diese Spinproben in der karboxylierten Form deuteten jedoch auf eine elektrostatische Retention von Karboxylat durch Imogolit hin und auf eine mehr spezifische Adsorption durch Allophan, die einen Ligandenaustausch der Oberflächenhydroxyle mit einschließt. Diese Ergebnisse verdeutlichen die spezifischen Unterschiede bei der Ladung und den Oberflächeneigenschaften von Allophan und Imogolit trotz der gemeinsamen Struktureinheiten, die beide Minerale beinhalten. [U.W.]

Résumé

Résumé

La charge de surface négative d'allophanes synthétiques avec une gamme de proportions Si/Al a diminué et la charge positive a augmenté lorsqu'on a augmenté le contenu en alumine à un pH donné. La capacité d'adsorption de phosphate a aussi augmenté lorsqu'on a augmenté le contenu en Al. On attribue à la présence d'anions organiques et inorganiques spécifiquement adsorbés sur le matériau naturel le fait que la même relation entre la composition et la réactivité chimique n'a pas été trouvée dans les allophanes de sol. Les imogolites synthétiques et naturels avaient tous deux une capacité d'adsorption de phosphate beaucoup plus basse que les allophanes, et avaient adsorbé des quantité abnormalement élevées de Cl et de ClO4 à un pH élevé. On propose que l'intercalation de sel se produit dans l'imogolite, quoique le spin à résonnance d’électrons utilisant des probes de spin a manqué de révéler l'entrappement de petites molécules organiques dans les tubes d'imogolite. Ces probes de spin dans la forme carboxylate ont cependant suggéré une rétention électrostatique de carboxylate par l'imogolite, et une adsorption plus spécifique par l'allophane impliquant l’échange ligand d'hydroxyles de surface. Les résultats illustrent les différences inhérentes dans les propriétés de charge et de surface de l'allophane et de l'imogolite malgré l'unité structurale commune que les deux minéraux incorprent. [D.J.]

Type
Research Article
Copyright
Copyright © 1984, The Clay Minerals Society

References

Atkins, P. W., 1982 Physical Chemistry San Francisco Freeman.Google Scholar
Bloom, P. R., Weaver, R. M. and McBride, M. B., 1978 The spectrophotometric and fluorimetric determination of aluminum with 8-hydroxyquinoline and butyl acetate extraction Soil Sci. Soc. Amer. J. 42 713716.CrossRefGoogle Scholar
Cradwick, P. D. G., Farmer, V. C., Russell, J. D., Masson, C. R., Wada, K. and Yoshinaga, N., 1972 Imogolite, a hydrated silicate of tubular structure Nature Phys. Sci. .CrossRefGoogle Scholar
Farmer, V. C., Fraser, A. R., Mortland, M. M. and Farmer, V. S., 1978 Synthetic imogolite, a tubular hydroxyaluminum silicate Proc. International Clay Conference, Oxford Amsterdam Elsevier 547553.Google Scholar
Farmer, V. C., Fraser, A. R. and Tait, J. M., 1977 Synthesis of imogolite: a tubular aluminum silicate polymer J. Chem. Soc. Chem. Comm. 13 462463.CrossRefGoogle Scholar
Farmer, V. C., Fraser, A. R., Russell, J. D. and Yoshinaga, N., 1977 Recognition of imogolite structures in allo-phanic clays by infrared spectroscopy Clay Miner. 12 5557.CrossRefGoogle Scholar
Farmer, V. C., Fraser, A. R. and Tait, J. M., 1979 Characterization of the chemical structures of natural and synthetic aluminosilicate gels and sols by infrared spectroscopy Geochim. Cosmochim. Acta 43 14171420.CrossRefGoogle Scholar
Fey, M. V. and Le Roux, J., 1976 Electric charges on ses-quioxidic soil clays Soil Sci. Soc. Amer. J. 40 359364.CrossRefGoogle Scholar
Florence, T. M. and Farrar, Y. J., 1971 Spectrophotometric determination of chloride at the parts-per-billion level by the mercury(II) thiocyanate method Anal. Chim. Acta 54 373377.CrossRefGoogle Scholar
Gillman, G. P., 1981 Effects of pH and ionic strength on the cation exchange capacity of soils with a variable charge Aust. J. Soil Res. 19 9396.CrossRefGoogle Scholar
Gonzales-Batista, A., Hernandes-Moreno, J. M., Fernandes-Caldas, E. and Herbillon, A. J., 1982 Influence of silica content on the surface charge characteristics of allophanic clays Clays & Clay Minerals 30 103110.CrossRefGoogle Scholar
Henmi, T. and Wada, K., 1976 Morphology and composition of allophane Amer. Mineral. 61 379390.Google Scholar
Henmi, T., Tange, K., Minagawa, T. and Yoshinaga, N., 1981 Effect of SiO2/Al2O3 ratio on the thermal reactions of allophane. II. Infrared and X-ray powder diffraction data Clays & Clay Minerals 29 124128.CrossRefGoogle Scholar
Higashi, T. and Ikeda, H., 1974 Dissolution of allophane by acid oxalate solution Clay Sci. 4 205211.Google Scholar
McBride, M. B., 1980 Adsorption of fatty acid spin probes on amorphous alumina J. Colloid Interface Sci. 76 393398.CrossRefGoogle Scholar
McBride, M. B., 1982 Organic anion adsorption on aluminum hydroxides: spin probe studies Clays & Clay Minerals 30 438444.CrossRefGoogle Scholar
Parfitt, R. L. and Henmi, T., 1980 Structure of some al-lophanes from New Zealand. Clays & Clay Minerals 28 285294.CrossRefGoogle Scholar
Parfitt, R. L., Furkert, R. J. and Henmi, T., 1980 Identification and structure of two types of allophane from volcanic ash soils and tephra Clays & Clay Minerals 28 328334.CrossRefGoogle Scholar
Perrott, K.W., 1977 Surface charge characteristics of amorphous aluminosilicates Clays & Clay Minerals 25 417421.CrossRefGoogle Scholar
Perrott, K. W., 1978 The influence of organic matter from humified clover on the properties of amorphous aluminosilicates. I. Surface charge Aust. J. Soil Res. 16 327339.CrossRefGoogle Scholar
Perrott, K. W., 1978 The influence of organic matter extracted from humified clover on the properties of amorphous aluminosilicates. II. Phosphate retention Aust. J. Soil Res. 16 341346.CrossRefGoogle Scholar
Rajan, S. S. S., 1979 Adsorption and desorption of sulfate and charge relationships in allophanic clays Soil Sci. Soc. Amer. J. 43 6569.CrossRefGoogle Scholar
Theng, V. K. G., Russell, M., Churchman, G. J. and Parfitt, R. L., 1982 Surface properties of allophane, halloysite, and imogolite Clays & Clay Minerals 30 143149.CrossRefGoogle Scholar
Wada, K. and Theng, B. K. G., 1980 Mineralogical characteristics of andisols Soils with Variable Charge New Zealand New Zealand Soc. Soil Sci., Lower Hutt 87107.Google Scholar
Wada, K. and Ataka, H., 1958 The ion uptake mechanism of allophane Soil Plant Food 4 1218.CrossRefGoogle Scholar
Wada, K., Harada, Y. and Heller, L., 1969 Effects of salt concentration and cation species on the measured cation-exchange capacity of soils and clays Proc. Int. Clay Conf., Tokyo, 1969, Vol. 1 Jerusalem Israel Univ. Press 561571.Google Scholar
Wada, K. and Matsubara, I., 1968 Differential formation of allophane, ‘imogolite,’ and gibbsite in the Kitakami pumice bed Trans. 9th Int. Congr. Soil Sci. 3 123131.Google Scholar
Wada, S. I., Eto, A. and Wada, K., 1979 Synthetic allophane and imogolite J. Soil Sci. 30 347355.CrossRefGoogle Scholar
Weaver, R. M., Syers, J. K. and Jackson, M. L., 1968 Determination of silica in citrate-bicarbonate-dithionite extracts of soils Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 32 497501.CrossRefGoogle Scholar