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Effects of Temperature on the Sorption of Lanthanides by Montmorillonite

Published online by Cambridge University Press:  02 April 2024

Steven E. Miller ,
G. Ross Heath  and
Richard D. Gonzalez
Steven E. Miller
Affiliation:
Department of Chemistry, University of Rhode Island, Kingston, Rhode Island 02881
G. Ross Heath
Affiliation:
School of Oceanography, Oregon State University, Corvallis, Oregon 97331
Richard D. Gonzalez
Affiliation:
Department of Chemistry, University of Rhode Island, Kingston, Rhode Island 02881
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Abstract

The diffusion of exchanged Yb, Ho, and Eu from interlayer positions in montmorillonite was studied using infrared spectroscopy (IR), X-ray powder diffraction, and cation-exchange measurements. Dehydration of exchanged montmorillonite between 100° and 280°C caused the ions to diffuse into the hexagonal rings of surface oxygens. Subsequent migration into vacant octahedral sites was small regardless of the radius of the cation. Considerable ion fixation in excess of the cation-exchange capacity of the clay was observed at 20°C in both water and a 1:1 water:95% ethanol mixture. Evidence for hydrolysis as a possible mechanism for cation fixation was obtained by observing frequency shifts for deuterated hydroxyl groups using IR spectroscopy. A major IR band centered at 2680 cm−1 was observed for all three lanthanide-exchanged montmorillonites studied and assigned to the OH-stretching frequency of a lanthanide hydroxide. This band intensified on heating at 300°C for 1 hr. An IR band between 690 and 710 cm−1 also was observed for all three lanthanide-exchanged montmorillonites and was assigned to a lanthanide-hydroxyl deformation mode. No hydrolysis was observed for Na-montmorillonite, as expected from the very low hydration energy of Na+.

Резюме

Резюме

Диффузия обмененных Yb, Но, и Ей из промежуточных мест в монтмориллоните исследовалась при помощи инфракрасной спектроскопии (ИК), порошковой рентгеновской дифракции и измерений обмена катионов. Результатом дегидратации обмененного монтмориллонита в диапазоне температур 100° и 280°С была диффузия ионов в гексагональные кольца поверхностных атомов кислорода. Последовательная миграция в пустые октаэдрические места была мала несмотря на размер катиона. Значительная фиксация ионов, более величины катионо-обменной способности глины, наблюдалась при 20°С в воде и в смеси 1:1 вода:95% этаноль. Доказательство, что гидролиз является возможным механизмом фиксации катионов, было получено при наблюдении сдвига частоты колебаний дейтерованных гидроксиловых групп при помощи ИК спектроскопии. Главная полоса ИК при 2680 cm−1 наблюдалась для всех трех исследованных монтмориллонитов, обмененных лантанидом, и приписывалась к ОН-растягивающей частоте лантанидовой гидроокиси. После нагрева при 300°С В течение 1 часа, эта полоса была более интенсивной. ИК полоса между 690 и 710 cm−1 также наблюдалась для всех трех монтмориллонитов, обмененных лантанидом, и приписывалась к деформационному колебанию лантанидового гидроксила. Для Na-монтмориллонита гидролиз не наблюдался, как это можно было предполагать на основе низкой энергии гидратации Na+. [Е.С.]

Resümee

Resümee

Es wurde die Diffusion von ausgetauschtem Yb, Ho, und Eu aus Zwischenschichtpositionen in Montmorillonit mit Hilfe von Infrarotspektroskopie (IR), Röntgenpulverdiffraktometrie, und Kationenaustauschmessungen untersucht. Die Dehydratation von ausgetauschtem Montmorillonit zwischen 100° und 280°C bewirkte, daß die Ionen in die hexagonalen Ringe der Oberflächensauerstoffe diffundieren. Eine darauffolgende Wanderung in leere Oktaederstellen war geringfügig, unabhängig vom Radius der Kationen. Eine beachtliche Ionenfixierung wurde zusätzlich zu der Kationenaustauschkapazität des Tones bei 20°C sowohl in Wasser als auch in 1:1 Wasser-95% Äthanol beobachtet. Der Beweis, daß die Hydrolyse ein möglicher Mechanismus für die Kationenfixierung ist, wurde mittels IR-Spektroskopie gefunden. Dabei zeigten sich Frequenzverschiebungen bei deuterierten Hydroxylgruppen. Die stärkste IR-Bande, um 2680 cm−1, wurde bei allen drei untersuchten Lanthanidenausgetauschten Montmorilloniten gefunden und der OH-Streckschwingung eines Lanthanidenhydroxides zugeschrieben. Diese Bande verstärkte sich beim Erhitzen auf 300°C über 1 Stunde. Eine IR-Bande zwischen 690 und 710 cm 1 wurde ebenfalls bei allen drei Lanthaniden-ausgetauschten Montmorilloniten beobachtet und einer Lanthanidenhydroxyl-Deformationsschwingung zugeschrieben. Bei Na-Montmorillonit wurde keine Hydrolyse beobachtet, wie auf Grund der sehr geringen Hydratationsenergie von Na+ erwartet wurde. [U.W.]

Résumé

Résumé

La diffusion de Yb, Ho, et Eu échangés des positions interfolaires de la montmorillonite a été étudiée utilisant la spectroscopie infrarouge (IR), la diffraction poudrée aux rayons-X, et des mesures d’échange de cations. La déshydration de la montmorillonite échangée entre 100° et 280°C a causé la diffusion des ions dans les cercles hexagonaux des oxygènes de surface. La migration ultérieure dans des sites octaèdres vides était petite, quelqu’était le rayon du cation. Une fixation considérable d'ions, en excès de la capacité d’échange de cations de l'argile a été observée à 20°C à la fois dans l'eau et dans un mélange 1:1 eau: éthanol 95%. L’évidence pour l'hydrolyse en tant que mécanisme possible pour la fixation de cation a été obtenue en observant les déplacements de fréquence pour les groupes hydroxyles deutérés utilisant la spectroscopie IR. Une bande IR majeure centrée à 2680 cm1 a été observée pour les trois montmorillonites échangées à la lanthanide étudiées, et a été assignée à la fréquence de l'OH d’élongation d'une hydroxide lanthanide. Cette bande s'est intensifiée à l’échauffement à 300°C pendant une heure. Une bande IR entre 690 et 710 cm−1 a aussi été observée pour les trois montmorillonites échangées à la lanthanide et a été assignée à un mode de déformation d'un hydroxylelanthanide. Aucune hydrolyse n'a été observée pour la montmorillonite-Na, comme on s'y attendrait donné l'energie d'hydration très basse de Na+. [D. J.]

Keywords

AdsorptionCation exchangeHydrolysisInfrared spectroscopyLanthanidesMontmorilloniteX-ray powder diffraction
Type
Research Article
Information
Clays and Clay Minerals , Volume 30 , Issue 2 , April 1982 , pp. 111 - 122
Copyright
Copyright © 1982, The Clay Minerals Society

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