Surface Area of Homoionic Illite and Montmorillonite Clay Minerals as Measured by the Sorption of Nitrogen and Carbon Dioxide

Abstract

The surface areas obtained by application of the B.E.T. theory to adsorption isotherms of nitrogen and carbon dioxide gases at 77°K and 195°K respectively on homoionic samples of illite and montmorillonite clays have been examined. The isotherms were obtained using a standard volumetric adsorption system and the results are compared with those obtained by Thomas and Bohor (1968) using a dynamic sorption system.

Small amounts of residual water have been shown to have a marked influence on the accessibility of the internal surfaces of the montmorillonite clays to nitrogen and carbon dioxide adsorption, in this respect the standard outgassing procedure under high vacuum seems more efficient than that used in dynamic systems. The present data indicate that provided the sample has been satisfactorily outgassed there is little penetration of nitrogen or carbon dioxide gases into the quasi-crystalline regions of montmorillonite clays. With the exception of the caesium saturated montmorillonites the surfaces of the clays are more accessible to the smaller nitrogen molecules than to carbon dioxide assuming the values used for molecular area are correct.

Résumé

Les ares de surface obtenues par l’application de la théorie B.E.T. aux isothermes d’adsorption du nitrogøne et du gaz carbonique, à 77°K et 195°K respectivement, sur des échantillons homoioniques d’argiles illite et montmorillonite, ont été étudiées. Les isothermes ont été obtenus en utilisant un systøme standard d’adsorption volumétrique et les résultats sont comparés à ceux obtenus par Thomas et Bohor (1968) qui emploient un systøme d’adsorption dynamique.

De petites quanfités d’eau résiduelle ont fait apparaître une influence marquée sur l’accessibilité des surfaces internes des argiles montmorillonites à l’adsorption du nitrogøne et du gaz carbonique. A cet égard, la méthode de dégazéification standard, sous un vide élevé, semble plus efficace que celle utilisée dans les systømes dynamiques. Les données actuelles indiquent que, pourvu que l’échantillon ait été dégazéifié d’une maniøre satisfaisante, il se produit une faible pénétration de gas carbonique et de nitrogøne dans les régions quasi-cristallines des argiles montmorillonites. A l’exception des montmorillonites saturés de Cs, les surfaces des argiles sont plus accessibles aux plus petites molécules de nitrogøne qu’au gaz carbonique en supposant que les valeurs utilisées pour le are moléculaire soient correctes.

Kurzreferat

Die durch Anwendung der B.E.T. Theorie auf Adsorptionsisothermen von Stickstoff und Kohlendioxyd Gasen bei 77°K bzw. 195°K an homoionische Proben von Illit und Montmorillonit Tonen erhaltenen Oberflächen wurden untersucht. Die Isothermen wurden unter Anwendung eines Standard volumetrischen Adsorptionssystems erhalten, und die Resultate werden mit jenen durch Thomas und Bohor (1968), unter Verwendung eines dynamischen Sorptionssystems erhaltenen, verglichen.

Es konnte festgestellt werden, dass kleine Mengen von Restwasser einen deutlichen Einfluss auf die Zugänglichkeit innerer Oberflächen der Montmorillonit Tone für die Adsorption von Stickstoff und Kohlendioxyd ausüben. In dieser Hinsicht scheint das Standard Ausgasungsverfahren im Hochvakuum wirksamer zu sein als das in dynamischen Systemen verwendete. Die gegenwärtig verfägbaren Werte deuten darauf hin, dass, vorausgesetzt die Probe ist genügend ausgegast worden, nur geringfügige Eindringung von Stickstoff oder Kohlendioxyd Gasen in die quasikristallinen Bereiche der Montmorillonit Tone stattfindet. Mit der Ausnahme der an Caesium abgesättigten Montmorillonite sind die Oberflächen der Tone für die kleineren Stickstoffmoleküle besser zugänglich als für Kohlendioxyd, angenommen, dass die für die Molekülfläche verwendeten Werte korrekt sind.

Резюме

Изучены поверхностные области, выявленные при применении теории В.Е.Т. к анализу изотерм адсорбции газов NO₂ и CO₂ при 77°К и 195°К, соответственно, для гомо-ионных образцов иллитовых и монтмориллонитовых глин. Изотермы сняты с использованием стандартной волюметрической адсорбционной системы и полученные результаты сравнимы с результатами, полученными Томасом и Боором (1968) при использовании динамической сорбционной системы.

Показано, что небольшие количества остаточной воды оказывают заметное влияние на чувствительность внутренних поверхностей монтмориллонитовых глин к поглощению NO₂ и CO₂. В связи с этим стандартная методика дегазации в условиях высокого вакуума очевидно является более эффективной, чем методика, используемая в динамических системах. Полученные данные показывают, что при условии удовлетворительной дегазации образца имеет место лишь незначительное проникновение газов NO₂ и CO₂ в квази-кристаллические области монтмориллонитовых глин. За исключением монтмориллонита, насыщенного катионами цезия, поверхности глин более чувствительны к небольшим молекулам NO₂, чем к молекулам CO₂, при предположении, что значения, используемые для молекулярных поверхностей, являются правильными.