Cationic Diffusion in Clay Minerals: II. Orientation Effects

Abstract

The effect of orientation of vermiculite particles on the diffusion of Na ion was measured by a tracer technique. The diffusion measurements were made on pellets prepared by pressing freezedried vermiculite in a cylindrical die and the diffusion coefficient evaluated by a thin-film boundary condition of Fick’s law. Because flakes of vermiculite were highly oriented under the pressing force, it was possible to prepare different angles of specimen orientation with respect to the surface where diffusion was initiated. Mathematical relationships of orientation angle, axial ratio of the platelets, and apparent diffusion coefficient were developed. The experimental results on the diffusion of Na ion in K-vermiculite of clay size gave apparent diffusion coefficients of 2·21 × 10⁷cm² sec⁻¹ when the diffusion flux was parallel with the clay platelets and 0·45 × 10⁻⁷ cm² sec “¹ when the flux was perpendicular to the clay platelets. For the diffusion of Na ion into Na-vermiculite, apparent diffusion coefficients were obtained of 1·18 × 10⁻⁸cm²sec⁻¹ when the diffusion flux was parallel with the clay platelets, and 0·18 × 10⁻⁸ cm² sec⁻¹ when the flux was perpendicular to the platelets. For K-vermiculite, the change in apparent diffusion coefficient is a simple one of particle geometry. The Na-vermiculite system exhibited more complicated behavior.

Résumé

L’effet de l’orientation de particules de vermiculite sur la diffusion d’ion Na a été mesuré par une méthode au tracé. Les mesures de diffusion ont été faites sur des pastilles préparées par compression de vermiculite séchée et congelée dans une matrice cylindrique. Le coefficient de diffusion a été évalué sur la limite d’une couche mince selon les conditions de la loi de Fick. A cause de la projection très forte d’éclats de vermiculite sous l’effet de la force de pression, il a été possible de préparer divers angles d’orientation des spécimens, en raison de la surface de départ de la diffusion. On a ainsi développé des relations mathématiques de l’angle d’orientation, du rapport axial des plaquettes et du coefficient apparent de diffusion. Les résultats expérimentaux sur la diffusion d’ion Na dans la Vermiculite -K de taille argileuse, donnaient des coefficients de diffusion de 2,21 × 10⁻⁷ cm² sec⁻¹, quand le flux de diffusion était parallèle aux plaquettes d’argile et de 0,45 × 10⁻⁷ cm² sec⁻¹, quand le flux était perpendiculaire aux plaquettes d’argile. Quant à la diffusion d’ion Na dans la vermiculite -Na, les coefficients apparents de diffusion obtenus étaient de 1,18 × 10⁻⁸ cm² sec⁻¹, pour un flux de diffusion parallèle aux plaquettes et de 0,18 × 10⁻⁸ cm² sec⁻¹ pour le flux perpendiculaire aux plaquettes. Le changement du coefficient apparent de diffusion pour la vermiculite -K est un simple phénomène de géométrie particulaire. Les systèmes de vermiculite -Na ont manifesté un comportement beaucoup plus complex.

Kurzreferat

Die Wirkung der Orientierung von Vermiculitteilchen auf die Diffusion von Natriumionen wurde mit Hilfe einer Tracertechnik gemessen. Die Diffusionsmessungen wurden an Plättchen, die durch Pressen von kühlungsgetrocknetem Vermiculit in einem zylindrischen Presstempel hergestellt worden waren, ausgeführt und der Diffusionskoeffizient wurde durch einen Dünnfilmgrenzzustand des Gesetzes von Fick bestimmt. Der hohe Orientierungsgrad der Vermiculitblättchen unter dem Einfluss der Druckkraft ermöglichte es, verschiedene Winkel der Probenorientierung in Bezug auf die Oberfläche, an der die Diffusion einsetzte, herzustellen. Es wurden mathematische Beziehungen zwischen dem Orientierungswinkel, dem Axialverhältnis der Plättchen und dem Scheinbaren Diffusionskoeffizienten entwickelt. Die Versuchsergebnisse, die bei der Diffusion von Na Ion in K-Vermiculit von Tongrösse erhalten wurden, wiesen scheinbare Diffusionskoeffizienten von 2,21 × 10⁻⁷ Strömung senkrecht zu den Tonplättchen Werte von 0,45 × 10⁻⁷ cm² sec⁻¹ ergaben. Für die Diffusion von Na Ion in Na Vermiculit wurden bei Diffusionsströmung parallel zu den Tonplättchen scheinbare Diffusionskoeffizienten von 1,18 × 10⁻⁸ cm² sec⁻¹ erhalten, und bei Diffusionsströmung senkrecht zu den Plättchen Werte von 0,18 × 10⁻⁸ cm² sec⁻¹. Bei K-Vermiculit ist die Änderung des scheinbaren Diffusionskoeffizienten einfach durch die Teilchengeometrie bedingt. Im Falle des Na-Vermiculit Systems liegen die Verhältnisse etwas komplizierter.

Резюме

Эффект ориентации вермикулитовых частиц на диффузию иона Na измеряется по методу меченых атомов. Измерения диффузии проводились на гранулах, приготовляемых прессованием вермикулита, подвергнутого сушке при температуре ниже в цилиндрическом мундштуке, а коэффициент диффузии оценивается по условиям тонкой пленки на границе по закону диффузии Фика. Вследствие того, что ×лопья вермикулита были сильно ориентированы под прижимающей силой, можно было приготовить различные углы ориентации образца по отношению к поверхности, на которой инициировалась диффузия. Разрабатывалось математическое соотношение угла ориентации, осевого отношения пластиночек и кажущегося коэффициента диффузии. Экспериментальные результаты на диффузию иона Na в вермикулите-К размера глины дали кажущиеся коэффициенты диффузии в 2,21 × 10⁻⁷ cm² сек⁻¹, когда диффузионный поток был параллельным к пластиночкам глины и 0,45 × ІО⁻⁷ cm² сек⁻¹ когда поток был перпендикулярным к пластиночкам. Для диффузии иона Na в вермикулит-Na получались кажущиеся коэффициенты диффузии 1,18 × 10⁻⁸ cm² сек ⁻¹, когда диффузионный поток был параллельным с пластиночками глины, а 0,18 × 10⁻⁸ cm² сек⁻¹, когда поток был перпендикулярным к пластиночкам. Для вермикулита—К изменение в кажущемся коэффициенте диффузии является просто изменением геометрии частиц. Системы вермикулита—Na показали более сложное поведение.