Smectite to Illite Conversion Rates: Effects of Solution Chemistry

Abstract

Mixed-layer illite/smectite (I/S) was formed by reacting the Chambers or Polkville montmorillonite hydrothermally at 270° and 350°C from several hours to more than 15 weeks. Reactions were conducted in closed vessels containing K or mixed K-Na, K-Ca, or K-Mg solutions of varying concentrations. The reaction rate and the rate of ordering of I/S for the reaction smectite + K⁺ → mixed-layer I/S + SiO₂ was inhibited by the addition of Na⁺ Ca²⁺, and Mg²⁺; the inhibitory strength of Na⁺, Ca²⁺ and Mg²⁺, on an equivalent basis, increased approximately in the ratio 1:10:30. The first order reaction-rate constants for the reactions at 270° and 350°C indicate an activation energy of about 30 kcal/mole.

In the experimental system studied, the reaction smectite → mixed-layer I/S appeared to proceed by solid state transformation, as suggested by: (1) rapid dissolution of large amounts of silica, probably creating an Al-enriched residue; (2) similarity of particle size and morphology of the mixed-layer products to those of the original montmorillonite, implying no extensive dissolution of Al³⁺; and (3) relatively high activation energy compared to published values for silicate dissolution.

Резюме

Смешано-слойный иллит/смектит (И/С) был получен при гидротермической реакции Чамберского или Польквилового монтмориллонита при температурах 270° и 350°С, в течение от нескольких часов до более чем 15 недель. Реакции проводились в замкнутых сосудах, содержащих растворы К или смешанные растворы K-Na, K-Са, или K-Mg с изменяющимися концентрациями. Скорость реакции и скорость упорядочнения И/С для реакции смектит + K → смешанно-слойный И/С + SiO₂ замедлялись добавлением Na⁺, Са²⁺, и Mg²⁺; замедлительная сила Na⁺, Са²⁺, и Mg²⁺; на эквивалентной основе, приблизательно увеличивалась как соотношение 1:10:30. Постоянные скорости реакции первого порядка для реакции при температурах 270° и 350°С указывают на то, что энергия активации есть порядка 30 ккал/моль.

Вероятно, в рассматриваемой системе, реакция смектит → смешанно-слойный И/С происходит путем преобразования твердого состояния. На это указывают: (1) быстрое растворение большого количества двуокиси кремния с вероятным образованием резидуума обогащенного алюминием, (2) подобие размеров частиц и морфологии смешанно-слойных продуктов с исходным монтмориллонитом, указывающее на небольшое растворение Аl³⁺, и (3) относительно большая энергия активации по сравнению с литературными данными для растворения силикатов. [Е.С.]

Resümee

Eine Illit/Smektit-Wechsellagerung (I/S) wurde bei der hydrothermalen Reaktion des Chambersoder Polkville-Montmorillonites bei 270° und 350°C und Reaktionszeiten von einigen Stunden bis mehr als 15 Wochen gebildet. Die Reaktionen wurden in geschlossenen Gefäßen durchgeführt, die K- bzw. K-Na-, K-Ca-, oder K-Mg-Lösungen unterschiedlicher Konzentration enthielten. Die Umwandlungsgeschwindigkeit und der Ordnungsgrad von I/S der Reaktion Smektit + K ⁺ → Wechsellagerung I/S + SiO₂ wurde durch die Zugabe von Na ⁺, Ca ²⁺ und Mg ²⁺ verzögert; der Verzögerungseffekt durch Na ⁺, Ca ²⁺ und Mg ²⁺ nimmt, bezogen auf die gleiche Menge, im Verhältnis 1:10:30 zu. Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten erster Ordnung für die Reaktionen bei 270° und 350°C sprechen für eine Aktivierungsenergie von etwa 30 kcal/Mol.

Im untersuchten experimentellen System scheint die Reaktion Smektit → I/S-Wechsellagerung durch eine Umwandlung im festen Zustand abzulaufen. Dies geht hervor: (1) aus der raschen Lösung einer großen SiO₂-Menge, die wahrscheinlich die Bildung eines Al-reichen Restes verursacht; (2) aus der Ähnlichkeit der Teilchengröße und der Form der Wechsellagerung mit der des ursprünglichen Montmorillonites, was für kein starkes Inlösunggehen des Al³⁺ spricht; and (3) aus der relativ hohen Aktivierungsenergie im Vergleich zu den publizierten Werten für die Silikatauflösung. [U.W.]

Résumé

De l’illite/smectite à couches mélangées (I/S) a été forée en faisant réagir de la montmorillonite Chambers ou PolkviUe hydrothermalement à 270° et 350°C pour une durée de plusieurs heures à plus de quinze jours. Les réactions ont été entreprises dans des vaisseaux fermés contenant K ou un mélange K-Na, K-Ca, ou des solutions K-Mg hà concentrations variées. L’allure de la réaction et l’allure du rangement d’I/ S pour la réaction smectite + K ⁺ → I/S à couches mélangées + SiO₂ étalent inhibées par l’addition de Na ⁺, Ca ²⁺ et Mg²⁺; la force inhibante de Na ⁺ Ca ²⁺, et Mg ²⁺, sur une base équivalente, a augmenté approximativement duns la proportion l: 10: 30. Les constantes d’allure de réaction de premier ordre pour les réactions à 270° et 350°C indiquent une énergie d’activation d’à peu prés 30 kcal/mole.

Dans le système expérimental étudié, la réaction smectite → I/S à couches mélangées semblait avoir procédé par transformation à l’état solide, suggéré par (1) la dissolution rapide de larges quantités de silice, créant probablement un résidu enrichi d’Al; (2) la similarité de la taille de particule et de la morphologie des produits à couches mélangées à celles de la montmorillonite originale, impliquant aucune dissolution extensive d’Al³⁺ ; et (3) une énergie d’activation relativement hante comparée aux valeurs publiées pour la dissolution silicate. [D.J.]