Hostname: page-component-78c5997874-4rdpn Total loading time: 0 Render date: 2024-11-06T06:18:28.275Z Has data issue: false hasContentIssue false

Surface Characteristics of Kaolinitic Clays and Clay-Humic Acid Complexes by Potentiometric and Conductometric Titrations

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

N. C. Lockhart*
Affiliation:
CSIRO Institute of Earth Resources, Physical Technology Unit, 338 Blaxland Road, Ryde, New South Wales, 2112, Australia
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Core share and HTML view are not available for this content. However, as you have access to this content, a full PDF is available via the ‘Save PDF’ action button.

Acid and non-acid forms of kaolinite clays were found by potentiometric and conductometric titrations to possess a weak acid species, the concentration of which was increased by acidic preparation conditions and by the presence of soil organic matter bound to the clay. A stronger acid species was also found in untreated and in organic-free, HCl-treated samples (washed free of excess acid). The end points for organic-free and/or ion-exchanged samples were used to predict the end points for untreated samples. A surface-chemical model involving MOH2+, MOH, and MO species (where M = Al and/or Fe) was fitted to the titration data and to the cation-exchange capacities. MOH2+ is the stronger acid and MOH the weaker acid; exchange of Na+ counterions by H+ converts MONa+ sites to MOH sites. Humic acid was probably complexed or chelated to some hydroxylated Al/Fe sites through COOH and phenolic OH groups. The COOH groups contributed supplementary stronger acid species which were not exchangeable, whereas the OH groups contributed supplementary weaker acid species and also increased the CEC relative to that for organic-free samples.

Резюме

Резюме

Обнаружено путём потенциометрического и кондуктометрического титрования, что кислотные и некислотные формы каолинитовых глин имели слабые кислотные вещества, концентрация которых увеличивалась по мере кислотных условий приготовления и присутствия почвенных органических веществ, связанных с глинами. Более сильные кислотные вещества были обнаружены в необработанных, а также в свободных от органических субстанций НСl-обработанных образцов (промытых от избытка кислоты). Граничные точки для органически свободных и/или ионообмененных образцов были использованы, чтобы определить граничные точки для необработанных образцов. Поверхностнохимическая модель, включающая вещества МОН2+, МОН, и МО (где М = Аl и/или Fe), была приспособлена к данным по титрованию и к катионообменным способностям. МОН2+ является более сильной кислотой, а МОН—более слабой; обмен противоионов Na+ ионами Н+ трансформирует места MONa+ в места МОН. Гуминовая кислота подвергалась, вероятно, комплексообразованию или хелатации с некоторыми гидроксилированными местами Al/Fe через группы СООН и феноловые ОН. Группы СООН внесли добавочные более сильные кислотные вещества, которые были необменивающимися, в то время как группы ОН внесли добавочные более слабые кислотные вещества, а также увеличили катионообменную способность относительно величине, принадлежащей к органически свободным образцам. [Е.С.]

Resümee

Resümee

Potentiometrische und konduktometrische Titration zeigte, daß saure und nicht saure Formen von Tonen eine schwach saure Spezies aufweisen, deren Konzentration durch saure Präparationsbedingungen und durch die Gegenwart von an den Ton gebundenen organischen Bodensubstanzen erhöht wurde. Eine stärker saure Spezies wurde ebenfalls in unbehandelten Proben und in HCl-behandelten Proben, die frei von organischen Substanzen waren, beobachtet (überflüssige Säure wurde ausgewaschen). Die Endpunkte der Titration der Proben, die frei von organischen Substanzen waren, und/oder der Ionen-ausge- tauschten Proben wurden verwendet, um die Endpunkte der unbehandelten Proben vorauszusagen. Ein Modell für die Oberflächenchemie, das MOH2+, MOH, und MO Spezies (wobei M = Al und/oder Fe) berücksichtigt, wurde den Titrationsdaten und den Kationenaustauschkapazitäten (CEC) angepaßt. MOH2+ ist die stärkere Säure und MOH die schwächere. Der Austausch von Na+-Gegenionen durch H+ wandelt die MONa+-Plätze in MOH-Plätze um. Huminsäure wurde wahrscheinlich an einige hydratisierte Al/Fe-Plätze durch COOH- und phenolische OH-Gruppen als Komplexe oder Chelate gebunden. Die COOH-Gruppen lieferten entsprechend stärker saure Spezies, die nicht austauschbar waren, während die OH-Gruppen entsprechend schwächer saure Spezies lieferten und die CEC im Vergleich zu der CEC der Proben frei von organischen Substanzen erhöhten. [U.W.]

Résumé

Résumé

On a trouvé par titrations potentiométriques et conductométriques que des formes acides et non-acides d'argiles kaolinitiques possédaient une espèce acide faible, dont la concentration était augmentée par des conditions de préparation acide et par la présence de matière organique liée à l'argile. Une espèce acide plus forte a aussi été trouvée dans des échantillons non traités et sans matière organique, lavés à l'HCl (lavés d'acide en excès). Les points extrêmes pour les échantillons sans matière organique et/ou à ions échangés ont été employés pour prédire les points extrêmes pour les échantillons non traités. Un modèle de surface chimique impliquant les espèces MOH2+, MOH, et MO (où M = Al et/ou Fe) a été ajusté aux données de titration et aux capacités d’échange de cations. MOH2+ est l'acide le plus fort, et MOH le plus faible; l’échange de contre-ions Na+ par H+ convertit les sites MONa+ à des sites MOH. L'acide humique a probablement été complexé ou chélaté à quelques sites hydroxylatés Al/Fe par les groupes COOH et les groupes OH phénoliques. Les groupes COOH ont contribué des espèces d'acide plus fort supplémentaires, qui n’étaient pas échangeables, tandis que les groupes OH ont contribué des espèces d'acide plus faible supplémentaires et ont aussi augmenté la CEC relativement aux échantillons sans matière organique. [D.J.]

Type
Research Article
Copyright
Copyright © 1981, The Clay Minerals Society

References

Bolland, M. D. A. Posner, A. M. and Quirk, J. P., (1976) Surface charge on kaolinites in aqueous suspension Aust. J. Soil Res. 14 197216.CrossRefGoogle Scholar
Buchanan, A. S. and Oppenheim, R. C., (1968) The surface chemistry of kaolinite Aust. J. Chem. 21 23672371.CrossRefGoogle Scholar
Coleman, N. T. and Craig, D., (1961) The spontaneous alteration of hydrogen clay Soil Sci. 91 1418.CrossRefGoogle Scholar
Coleman, N. T. and Thomas, G. W., (1967) The basic chemistry of soil acidity Agronomy 12 141.Google Scholar
Conley, R. F. and Althoff, A. C., (1971) Surface acidity in kaolinite J. Colloid Interface Sci. 37 186195.CrossRefGoogle Scholar
Ferris, A. P. and Jepson, W. B., (1975) The exchange capacities of kaolinite and the preparation of homoionic clays J. Colloid Interface Sci. 51 245259.CrossRefGoogle Scholar
Garrels, R. M. and Christ, C. L., (1956) Application of cation exchange reactions to the beidellite of the Putnam silt loam soils Amer. J. Sci. 254 372379.CrossRefGoogle Scholar
Greenland, D. J. and Hayes, M. H. B., (1978) The Chemistry of Soil Constituents Chichester Wiley.Google Scholar
James, R. O. and Parks, G. A., (1981) Characterization of aqueous colloids by their electrical double layer and intrinsic surface chemical properties Surf. Colloid Sci. .CrossRefGoogle Scholar
Lockhart, N. C., (1981) Electrical conductivity and the surface characteristics of kaolinitic clays and clay-humic acid complexes Clays & Clay Minerals 29 423428.CrossRefGoogle Scholar
Low, P. F., (1955) The role of aluminum in the titration of bentonite Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 19 135139.CrossRefGoogle Scholar
Marshall, C. E., (1964) The Physical Chemistry and Mineralogy of Soils: Vol. 1, Soil Materials New York Wiley.Google Scholar
Rand, B. and Melton, I. E., (1977) Particle interactions in aqueous kaolinite suspensions J. Colloid Interface Sci. 60 308335.CrossRefGoogle Scholar
Schnitzer, M. and Khan, S. E., (1972) Humic Substances in the Environment New York Marcel Dekker.Google Scholar
Sidgwick, N. V., (1950) The Chemical Elements and their Compounds Oxford Oxford University Press.Google Scholar
Sparrow, G. J., (1978) Drainage: an aid to dewatering clay slimes Australas. Inst. Mining Met. Proc. 265 3339.Google Scholar
Theng, B. K. G., (1979) Formation and Properties of Clay-Polymer Complexes Amsterdam Elsevier.Google Scholar
Thomas, G. W., (1977) Historical developments in soil chemistry: Ion exchange Soil Sci. Soc. Amer. J. 41 230237.CrossRefGoogle Scholar
Van Olphen, H., (1977) An Introduction to Clay Colloid Chemistry New York Wiley-Interscience.Google Scholar
Volk, V. V. Jackson, M. L. and Bradley, W. F., (1964) Inorganic pH dependent cation exchange charge of soils Clays and Clay Minerals, Proc. 12th Natl. Conf, Atlanta, Georgia, 1963 New York Pergamon Press 281295.Google Scholar
Williams, D. J. A. and Williams, KP, (1978) Electrophoresis and zeta potential of kaolinite J. Colloid Interface Sci. 65 7987.CrossRefGoogle Scholar
Worrall, W. E., (1975) Clays and Ceramic Raw Materials New York Halstead Press.Google Scholar