Electro-Optic Investigation of the Permanent and Induced Dipoles of Montmorillonite as Affected by Electrolyte Concentration

Abstract

An electro-optic birefringence technique was employed to study the orientation mechanism of montmorillonite in an electric field. The instantaneous reversal of the field polarity produced evidence of a low voltage permanent dipole and a high voltage induced dipole. This technique was used to study theeffect ofelectrolyte concentration on the rotational diffusion coefficient, a measure of the rate at which the particles rotate or relax, within the solution, from a preferred orientation. Thus, a measure of the immediate environment of the particles was obtained that is not an average effect for the whole system, yet allows for the full development of the clay-cation-water interactions under the experimental conditions. It was found that particle rotation could be accounted for using the measured particle size and normal water viscosity only when the double layer was fully developed, with no free ions or other perturbations. As soon as perturbations were applied, either by adding salts or applying an electric field, the measured particle size and normal viscosity would not account for the data. Either the rotating moiety has to be larger, that is, be a particle plus a water hull, or the viscosity greater, or in some cases both.

Résumé

Une technique de biréfringence électro-optique a été utilisée pour étudier les mécanismes d’orientation de la montmorillonite dans un champ électrique. L’inversion instantanée de la polarité du champ fournit la preuve de l’existence d’un dipole permanent à basse tension, et d’un dipole induit à haute tension. Cette technique a été utilisée pour étudier l’effet de la concentration en électrolyte sur le coefficient de diffusion rotationnel, qui est une mesure de la vitesse de la rotation ou de la relaxation des particules, dans une solution, à partir d’une orientation privilégiée. Ainsi, a été obtenue une mesure de l’environnement immédiat des particules, qui n’est pas un effet moyen sur l’ensemble du système, mais qui tient compte pourtant du développement complet des interactions argile-cation-eau, dans les conditions expérimentales choisies. On a trouvé que la rotation des particules pouvait être expliquée en utilisant la taille expérimentale des particules et la viscosité normale de l’eau seulement lorsque la double couche était entièrement développée, sans ions libres ni aucune autre perturbation. Dès que des perturbations étaient introduites, soit en ajoutant des sels, soit en appliquant un champ électrique, la taille expérimentale des particules et la viscosité normale ne pouvaient plus rendre compte des résultats. Ou bien l’entité en rotation doit être plus grande, c’est-à-dire que ce doit être une particule plus une enveloppe d’eau, ou bien la viscosité doit être plus grande, ou bien encore, dans certains cas, les deux effets doivent intervenir.

Kurzreferat

Eine elektrooptische Doppelbrechungsmethode wurde zur Untersuchung des Orientierungsmechanismus von Montmorillonit in einem elektrischen Feld eingesetzt. Die unvermittelte Umkehrung der Polarität des Feldes lieferte den Nachweis eines permanenten Dipols bei niedriger Spannung und eines induzierten Dipols bei hoher Spannung. Diese Technik wurde benutzt, um den Einfluß der Elektrolytkonzentration auf den Rotationsdiffusionskoeffizienten zu untersuchen, der ein Maß für die Geschwindigkeit darstellt, mit der die Teilchen innerhalb der Lösung aus bevorzugter Orientierung heraus rotieren oder sich entspannen. Auf diese Weise wurde ein Maß für die unmittelbare Umgebung der Teilchen erhalten, das keine Durchschnittswirkung für das Gesamtsystem darstellt, sondern der vollen Entwicklung der Ton-Kation-Wasser-Wechselwirkungen unter den gegebenen experimentellen Bedingungen Rechnung trägt. Es wurde gefunden, daß bei Benutzung der gemessenen Teilchengröße und der normalen Viskosität des Wassers die Teilchenrotation nur dann erklärt werden konnte, wenn die Doppelschicht voll ausgebildet war und keine freien Ionen oder andere Störungen enthielt. Sobald Störungen hervorgerufen wurden, sei es durch Salzzugabe oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes, konnten die Ergebnisse nicht aus den gemessenen Teilchengrößen und der normalen Viskosität des Wassers erklärt werden. Entweder hat der rotierende Anteil größer zu sein, das heißt aus einem Teilchen und einer Wasserhülle zu bestehen, oder die Viskosität hat größer zu sein oder in einigen Fällen beides.

Резюме

Механизм ориентации монтмориллонита в электрическом поле изучался техникой электрооптического двойного лучепреломления. Немедленная перемена полярности поля свидетельствует о постоянном диполе низкого напряжения и о индуктированном диполе высокого напряжения. При помощи этой техники изучали действие концентрации электролита на коэффициент вращательной диффузии и меру скорости при которой частицы вращаются или релаксируют в растворе. Таким образом, получили меру непосредственных окружающих условий для частиц, которая не является действительной для всей системы, но позволяет развитие взаимодействия между глиной-катионами-водой в экспериментальных условиях. Вращение частиц объяснимо, если частицы определенного размера и вода нормальной вязкость только при условии образования полного двойного слоя и при отсутствии свободных ионов или других возмущений. Как только начинают возмущение добавлением соли, или приложением электрического поля, определенный размер частиц и нормальная вязкость воды не объясняют данных. Одно из двух, либо вращение должно быть повышенно, либо вязкость, а в некоторых случаях оба параметра.