Low Frequency Dielectric Dispersion of Clay-Water-Electrolyte Systems

Abstract

—The dielectric properties of saturated kaolinite clay-water-electrolyte systems were determined over the frequency range of 30–10⁵c/s. Very large dielectric constants are observed at low frequencies. Since the experimental data approach constant values at each end of this frequency spectrum, they can be described by a fairly well defined spectrum of relaxation times. The particle size and orientation, the type and amount of electrolyte, and temperature affect the low frequency dielectric increment and the average relaxtion time. Several physical processes, such as relaxtion due to dipolar rotational polarization, interfacial polarization, free space charge and bound ion polarization, are examined in an attempt to explain the observed data. It is concluded that there exists at present no theory to explain all the data, but the bound ion polarization mechanism appears to explain some of the results.

Résumé

—Les propriétés diélectriques de systèmes d’électrolyte d’eau argileuse à kaolinite saturée sont déterminées sur une gamme de fréquence de 30–10⁵c/s. On observe des constantes diélectriques très élevées à basse fréquence. Comme les données expérimentales approchent des valeurs constantes à chaque extrémité du spectre de fréquence, on peut les décrire avec un spectre relativement bien défini de temps de relâchement. La taille et l’orientation des particules, le type et le quantité d’électrolyte, et la température ont une influence sur l’accroissement diélectrique à basse fréquence et le temps de relâchement moyen. Plusieurs actions physiques, tels que le relâchement dû à la polarisation par rotation dipolaire, la polarisation interfaciale, par charge d’espaces libres ou par ions liés, font l’objet d’un examen qui tente d’expliquer les données observées. On arrive à la conclusion qu’il n’y a à présent aucune théorie pour expliquer toutes ces données, mais le mécanisme de polarisation par ions liés semble fournir une explication à certains des résultats.

Kurzreferat

Die dielektrischen Eigenschaften gesättigter kaolinitischer Ton-Wasser Elektrolytsysteme wurden im Frequenzbereich von 30 bis 10⁵ Hz gemessen. Bei niedrigen Frequenzen wurden sehr hohe Dielektrizitätskonstanten beobachtet. Da sich die Versuchswerte an jedem Ende dieses Frequenzspektrums konstanten Werten nähern, ist en möglich dieselben durch ein recht gut um-rissenes Spektrum von Relaxationszeiten zu beschreiben. Die dielektrische Zunahme bei niedrigen Frequenzen und die durchschnittliche Relaxationszeit werden durch Teilchengrösse und Orientierung, die Art und die Menge des Elektrolyten, sowie durch die Temperatur beeinflusst. In einem Versuch die beobachteten Daten zu erklären, werden verschiedene physikalische Vorgänge, wie Relaxation infolge dipolarer Rotationspolarisation. Grenz-flächenpolarisation. freie Raumladung und gebundene lonenpolarisation untersucht. Es wird festgestellt, dass im Augenblick keine Theorie existiert, die alle Daten erklärt, aber dass einige der Resultate durch den Mechanismus der gebundenen Ionenpolarisation erklärt werden können.

Резюме

Диэлектрические свойства систем насыщенные Э1ек1ррашмац-каошнцжоц-во(гоц определялись в частотном диапазоне от 30 до 10⁵ гц. На низких частотах наблюдаются очень большие диэлектрические постоянные. Ввиду того, что экспериментальные данные достигают постоянных значений при каждом конце этого спектра частот, описываются они сравнительно ясно определенным спектром времени релаксации. Размер частиц и ориентация, тип и количество электролита, а также температура влияют на низкочастотное диэлектрическое приращение и на среднее время релаксации. Ряд физических процессов, как например релаксация, вызванная биполярной вращательной поляризацией, межповерхностная поляризация, пространственный заряд и поляризация связанных ионов, исследуются с целью объяснения наблюдаемых данных. Вывод доклада, что в данное время нет теории для объяснения всех данных, но механизм поляризации связанных ионов повидимому объясняет некоторые результаты.