Factors Affecting Potassium Fixation and Cation Exchange Capacities of Soil Vermiculite Clays

Abstract

Soil vermiculite clays of varying tetrahedral and octahedral composition and cation exchange capacity (CEC) were examined for their ability to fix K⁺ in both the wet and dry states. Fixation capacity, expressed as per cent of the CEC, in the wet state was fairly high for most samples but it was enhanced greatly upon drying the K saturated samples. This enhancement indicated that each sample contained a number of vermiculite species with different CECs.

The vermiculite clays, as a group, exhibited a much higher fixation capacity at a much lower CEC than those of the coarse grained vermiculites. This enhanced fixation is believed due to the diocta-hedral nature of the coarse grained vermiculites. In samples of nearly equal CECs only those containing Al³⁺ in tetrahedral positions exhibited an enhanced fixation capacity in the dry state but not in the wet state.

In was remarkable to find that the state of oxidation of crystal structure iron strongly affected the fixation and the CEC. Reduction of Fe³⁺ to Fe²⁺ caused a decrease in fixation even though the CEC increased as a result of this change. Conversely these reactions and their effects were found to be reversible.

The variation in the orientation of the dipole of the hydroxyl ion in the octahedral layer with respect to the cleavage plane of the crystal is believed to be responsible for some of the noted differences.

Résumé

Des vermiculites de sol argileuses de différente composition tétraèdrique et octaèdrique, ainsi que de différente capacité d’échange de cations (CEC) ont été observées dans leur abilité à fixer K⁺ à l’état sec et humide. La capacité de fixation, exprimée en % de la CEC est relativement élevée à l’état humide pour la plupart des échantillons, mais elle augmente considérablement lorsque on sèche les échantillons saturés de K. Cette augmentation indique que chaque échantillon contient un certain nombre de vermiculites de CEC différents.

Les vermiculites argileuses, en tant que groupe, présentent une capacité de fixation beaucoup plus élevée, à une CEC beaucoup plus basse que celle des vermiculites en gros granulés. Cette fixation accrue est considérée comme étant due à la nature dioctaèdrique des vermiculites argileuses, par opposition à la nature trioctaèdrique des grains grossier. Parmi les échantillons de CEC sensiblement égale, seuls ceux contenant Al³⁺ en position tétraèdrique présentent une fixation accrue à l’état sec, mais pas à l’état humide.

Il est remarquable de constater que le degré d’oxydation du fer de structure cristalline affecte fortement la fixation et la CEC. La réduction de Fe³⁺ en Fe²⁺ provoque en affaiblissement de la fixation alors même que cette réduction augmente la CEC. Il a également été observé que ces réactions et leurs effets sont réversibles.

La variation de l’orientation du dipôle de l’ion hydroxyle dans la couche octaèdrique, en conjonction avec le plan de clivage du cristal est considérée comme responsable pour une partie des variations observées.

Kurzreferat

Bodenvermiculittone verschiedenartiger tetraedrischer und oktaedrischer Zusammensetzung und Kationenaustauschkapazität (CEC) wurden im Hinblick auf ihre Fähigkeit zur Fixierung von K⁺ im feuchten sowie im trockenen Zustand untersucht. Die Fixierungskapazität, ausgedrückt als Prozentsatz der CEC, war für die meisten Proben recht hoch im feuchten Zustand, wurde jedoch durch Trocknen der K-gesättigten Proben beträchtlich erhöht. Diese Erhöhung deutet darauf hin, dass jede Probe eine Anzahl Vermiculitarten mit verschiedenen CEC enthielt.

Die Vermiculittone als eine Gruppe zeigten eine bedeutend höhere Fixierungskapazität bei viel niedrigerer CEC als derjenigen der grobkörnigen Vermiculite. Es wird angenommen, dass diese erhöhte Fixierung eine Folge der dioktaedrischen Natur der Vermiculittone im Gegensatz zu der trioktaedrischen Natur der grobkörnigen Vermiculite ist. In Proben mit beinahe gleicher CEC zeigten nur die, welche Al³⁺ in tetraedrischen Stellungen enthalten eine erhöhte Fixierungskapazität im trockenen Zustand aber nicht im feuchten Zustand.

Es war interessant festzustellen, dass der Oxydationszustand des Kristallgefügeeisens die Fixierung und die CEC stark beeinflusste Eine Reduzierung des Fe³⁺ zu Fe²⁺ verursachte eine Abnahme der Fixierung obzwar die CEC als Ergebnis dieses Wechsels zunahm. Umgekehrt wurde gefunden, dass diese Reaktionen und ihre Wirkungen reversible sind.

Es wird angenommen, dass die Veränderung in der Orientierung des Dipols des Hydroxylions in der oktaedrischen Schicht in Bezug auf die Spaltebene des Kristalls für manche der vorgefundenen Unterschiede verantwortlich ist.

Резюме

Была изучена способность почвенных вермикулитовых глин с различными окта-эдрическими и тетраэдрическими ионами и с различной способностью к катионному обмену (СКО) фиксировать K+ как во влажном, так и в сухом состоянии. Способность к такой фиксации, выраженная в процентах от СКО, у большинства глин во влажном состоянии была довольно высокой; после высушивания у образцов, носыщенных калием, она сильно увеличилась. Это указывает, что каждый образец содержал ряд вермикулитов с различными СКО. Глины вермикулитовой группы обнаружили более высокую способность

фиксировать калий при значительно более низких значениях СКО, чем грубокристаллические вермикулиты. Предполагается, что усиления фиксация калия вызвана диоктаэдрической природой грубо-кристаллических вермикулитов. В образцах с почти равной СКО повышенную фиксацию в сухом (но не во влажном) состоянии обнаружили только те, которые содержат Al3+ в тетра-эдрических позициях. Весьма интересно, что на фиксацию калия и на СКО сильно влияет степень окисления структурного железа. Восстановление Fе3+ до Fе2+ вызвало уменьшение фиксации калия несмотря на возрастание

СКО в результате восстановления железа. Показано, что эти реакции и их результаты обратимы.

Некоторые из отмеченных различий рассматриваются как следствие вариаций в ориентировке диполей гидроксильных ионов в октаэдрических слоях по отношению к плоскостям спайности слоистого силиката.