Effect of Particle Size on Potassium Sorption by Potassium-Depleted Phlogopite

Abstract

Sorption of K from mixed KCl and CaCl₂ solutions by K-depleted, Ca-saturated phlogopite was studied to determine the effect of particle size. The experiments were done at room temperature with 25 mg of K-depleted phlogopite samples in 50 ml solutions which were 0·002 N with respect to KCl and 0·02 N with respect to CaCl₂.

Sorption of K increased sharply with increase in particle size. The 54–75 µm fraction sorbed nearly all, whereas the 0·2–2 µm fraction sorbed less than half, of its depleted K. The 5–20 µm fraction sorbed an intermediate amount. This relationship is explained by the same hypothesis which accounts for the increase of K release with increase in particle size. That is, bending of unit mica layers due to peripheral expansion is greater in large and thick particles than in small and thin ones. This increased bending induces the greater K release from large particles. Similarly, bending due to peripheral collapse of hydrated layers is greater in large particles than in small ones. Thus, more energy is needed to initiate layer collapse and restrict further K uptake in the large particles which results in their greater K sorption capacity.

These results imply that in natural conditions, as in soils, the coarse vermiculite and weathered mica fractions may be more effective in sorbing K from solution than their fine counterparts.

Résumé

La fixation de K à partir de solutions mixtes KCl et CaCl₂ par une phlogopite ouverte dont on avait extrait le potassium et saturéepar Ca, a été étudiée afin de déterminer le rôle de la taille des particules. Les expériences ont été conduites à température ambiante avec des échantillons de 25 mg de phlogopite ouverte dans 50 ml de solutions de concentration 0,002 N en KCl et 0,02 N en CaCl₂.

La fixation de K augmente brutalement quand la taille des particules augmente. La fraction 54–75 µm fixe pratiquement tout le potassium retiré, alors que la fraction 0, 2–2 µm en fixe moins de la moitié. La fraction 5–20 µm en fixe une quantité intermédiaire. Cette relation est expliquée par la même hypothèse que celle qui rend compte de l’augmentation de la libération de K quand la taille des particules augmente. Selon cette hypothèse, la courbure des feuillets de mica due à l’expansion périphérique est plus grande dans les particules grandes et épaisses que dans les particules petites et minces. Cette courbure accrue induit la libération plus élevée de K à partir des grandes particules. D’une façon similaire, la courbure due à la fermeture périphérique des feuillets hydratés est plus importante avec les grandes particules qu’avec les petites. Ainsi, une énergie plus élevée est requise pour initier la fermeture des feuillets et pour restreindre une fixation ultérieure de K dans les grandes particules, ce qui entraîne leur capacité de fixation pour K plus élevée.

Ces résultats impliquent que dans les conditions naturelles, comme dans les sols, les fractions grossières de vermiculite et de mica altéré soient plus efficaces pour la fixation de K à partir d’une solution, que leurs équivalents fins.

Kurzreferat

Um den Einfluß der Teilchengröße zu bestimmen, wurde die Sorption von K aus KCl-und CaCl₂-Mischlösungen (0,002 n KCl, 0,02 n CaCl₂) durch K-verarmten, Ca-gesättigten Phlogopit untersucht. Die Versuche wurden bei Raumtemperatur mit 25 mg-Proben K-verarmten Phlogopits in 50 ml Lösung ausgeführt.

Mit Zunahme der Teilchengröße steigt die K-Aufnahme stärker an. Die 54–75 µm-Fraktion sorbiert fast die gesamte, die 0,2–2 µm-Fraktion weniger als die Hälfte der vorher freigesetzten K-Menge. Die 5–20 µm-Fraktion sorbiert eine mittlere Menge. Diese Verhältnisse werden mit der gleichen Hypothese erklärt, auf die auch der Anstieg der K-Freisetzung mit zunehmender Teilchengröße zurückgeführt wird: Die Verbiegung der einzelnen Glimmerschichten durch randliche Aufweitung ist in großen und dicken Teilchen größer als in kleinen und dünnen. Diese verstärkte Verbiegung bewirkt größere K-Freisetzung aus großen Teilchen. In ähnlicher Weise ist die Verbiegung durch randliche Kontraktion hydratisierter Schichten in großen Teilchen größer als in kleineren. Infolge-dessen ist mehr Energie erforderlich, um in großen Teilchen die Schichtkontraktion und eine Einschränkung der weiteren K-Aufnahme auszulösen, was eine größere Sorptionskapazität für K zur Folge hat.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, daß unter natürlichen Bedingungen—wie in Böden—die groben Fraktionen von Vermiculit und verwitterten Glimmern eine stärkere K-Aufnahme aus der Lösung bewirken mögen als ihre feinkörnigen Partner.

Резюме

Для определения влияния размера частиц на сорбцию изучалась сорбция К флогопитом, обедненным К и насыщенным Са, из смешанного раствора КСl и СаСl₂. Исследования проводились при комнатной температуре с 25 мг образцами флогопита обедненного К в 50 мл растворе, являвшимся 0,002N относительно КСl и 0,02N относительно СаСl₂.

С увеличением размера частиц сорбция К значительно повышалась. Фракция 54–75 µm сорбировала почти весь истощенный К, в то время как фракция 0,2–2 µm сорбировала меньше половины потерянного ею К. Фракция 5–20 µm сорбировала среднее количество. Эта зависит мость сорбции объясняется той же гипотезой согласно которой выделение К повышается при увеличении размера частицы. Таким образом, перегиб агрегата слоев вследствие периферийного расширения сильнее в крупных толстых частицах, чем в небольших тонких. Этот увеличенный перегиб вызывает повышенное выделение К из крупных частиц. Таким же образом, перегиб вследствие периферийного оседания гидратированных слоев бывает более высоким в крупных частицах, чем в небольших. Поэтому для порождения оседания слоя и ограничения дальнейшего восприятия К крупной частицей, в результате чего сорбируется большее количество К, требуется больше энергии.

Из результатов вытекает, что в таких естественных условиях как земля крупные частицы вермикулита и фракции выветрелой слюды, очевидно, более эффективно сорбируют К из растворов, чем мелкие.