Surface Area of Vermiculite with Nitrogen and Carbon Dioxide as Adsorbates

Abstract

Surface-area studies were made on several homoionic vermiculites with both nitrogen and carbon dioxide as adsorbates. These studies show that only very slight penetration occurs between individual vermiculite platelets. This is in contrast to an earlier investigation of montmorillonite where it was found that the degree of penetration between layers is quite high, particularly for carbon dioxide, and is governed by the size and charge of the interlayer cation. The inability of these adsorbates to penetrate substantially between vermiculite platelets is due primarily to this mineral’s high surface-charge density.

The extent of penetration of nitrogen and carbon dioxide at the edges of vermiculite platelets, though slight, is influenced by the coordinated water retained within the sample at a given degassing temperature. Forces between layers are weakened with increasing water content, which permits slightly greater penetration by adsorbate gases. Thus, the surface area of vermiculite, as determined by gas adsorption, is larger than the calculated external surface area based upon particle size and shape considerations. In addition, “extra” surface is provided by the lifting and scrolling of terminal platelets. These morphological features are shown in scanning electron micrographs of a naturally occuring vermiculite.

Résumé

Des études de zones de surface ont été effectuees sur plusieurs vermiculites homoioniques avec, en tant que produits d’adsorption, à la fois le nitrogène et l’oxyde de carbone. Ces études montrent que seule se produit une très légère pénétration entre les différentes plaquettes de vermiculite. Ceci fait contraste à une étude antérieure sur le montmorillonite où l’on avait trouvé que le degré de pénétration était assez élevé entre les couches, en particulier pour l’oxyde de carbone, et que celle-ci est contrôlée par la taille et la charge du cation de la couche intermédiaire. L’impossibilité de ces produits à pénétrer assez profondément entre les plaquettes de vermiculite est dûe premièrement à la haute densité de charge-surface de ce minéral.

Le degré de pénétration du nitrogène et de l’oxyde de carbone aux bords des plaquettes de vermiculite, bien que faible, est influencé par l’eau de coordination retenue dans le prélèvement à une température donnée de dégasification. Les forces entre les couches s’affaiblissent avec la croissance de la teneur en eau, ce qui permet une pénétration légèrement plus grande par les gaz d’adsorption. Ainsi, la zone de surface de vermiculite, telle qu’elle est déterminée par l’adsorption des gaz, est plus étendue que la zone de surface externe calculée selon la taille et la formes des particules. De plus, une surface “supplémentaire” est fournie par l’élévation et le déroulement des plaquettes terminales. Ces caractéristiques morphologiques sont démontrés en développant des micrographes d’électrons d’un vermiculite se produisant naturellement.

Kurzreferat

Es wurden Oberflächenstudien an verschiedenen homoionischen Vermiculiten und zwar mit Stickstoff und Kohledioxyd als Adsorbaten durchgeführt. Diese Versuche zeigen, dass nur sehr geringe Penetration zwischen den einzelnen Vermiculitplättchen stattfindet. Das steht im Gegensatz zu einer früheren Untersuchung von Montmorillonit, wo man feststellte, dass das Mass der Eindringung zwischen Schichten recht hoch war, besonders für Kohlendioxyd, und dass dasselbe durch die Grösse und durch die Ladung der Zwischenschichtkationen bestimmt wird. Die Unfähigkeit dieser Adsorbate, wesentlich zwischen die Vermiculitplättchen einzudringen, ist in erster Linie der hohen Oberflächenladungsdichte dieses Minerals zuzuschreiben.

Das Ausmass der Penetration von Stickstoff und Kohlendioxyd an den Rändern der Vermiculitplättchen ist zwar gering, wird aber durch das innerhalb der Probe bei einer bestimmten Entgasungstemperatur zurückgehaltene Koordinationswasser beeinflusst. Die zwischen den Schichten wirkenden Kräfte werden schwächer mit zunehmendem Wassergehalt, wodurch etwas stärkere Penetration durch die Adsorbatgase ermöglicht wird. Die durch Gasadsorption bestimmte Oberfläche des Vermiculits ist also grösser als die auf Grund der Teilchengrösse und Teilchenform berechnete äussere Oberfläche. Dazu kommt noch, dass durch Heben und Rollen der Endplättchen “extra” Oberfläche zustandekommt. Diese morphologischen Verhältnisse werden in Abtast-Elektronenmikrographien eines natürlich vorkommenden Vermiculits aufgezeigt.

Резюме

Проведено определение площади поверхности для нескольких гомоионных вермикулитов с использованием в качестве адсорбатов как азота, так и углекислоты. Показано, что только незначительное количество газа проникает между отдельными пластинками вермикулита. Полученные данные резко отличаются от данных более раннего изучения монтмориллонита; для этого минерала установлено значительное проникновение газа, особенно углекислоты, между слоями и доказано, что оно зависит от величины и заряда межслоевого катиона. Неспособность тех же адсорбатов проникать в существенных количествах между пластинками вермикулита объясняется прежде всего высокой плотностью его поверхностных зарядов.

Степень проникновения азота и углекислоты по краям пластинок вермикулита, хотя и являющаяся незначительной, зависит от количества координационной воды, содержащейся в минерале при заданной температуре дегазации. Силы, действующие между слоями, ослабева ют с возрастанием содержания воды, что делает возможным несколько большее проникно-вение газов—адсорбатов.

Площадь поверхности вермикулита, определенная по адсорбции газов, больше, чем площадь его внешней поверхности, вычисленная по данным о величине и форме частиц. Дополнительная поверхность создается расщеплением краев частиц; об этом говорит изучение природного вермикулита с помощью сканнирующего электронного микроскопа.