Hostname: page-component-586b7cd67f-t7czq Total loading time: 0 Render date: 2024-11-27T04:51:24.372Z Has data issue: false hasContentIssue false

Low Frequency Dielectric Dispersion of Clay-Water-Electrolyte Systems

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

Kandiah Arulanandan
Affiliation:
Department of Civil Engineering, University of California, Davis, California
James K. Mitchell
Affiliation:
Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley, California
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.

—The dielectric properties of saturated kaolinite clay-water-electrolyte systems were determined over the frequency range of 30–105c/s. Very large dielectric constants are observed at low frequencies. Since the experimental data approach constant values at each end of this frequency spectrum, they can be described by a fairly well defined spectrum of relaxation times. The particle size and orientation, the type and amount of electrolyte, and temperature affect the low frequency dielectric increment and the average relaxtion time. Several physical processes, such as relaxtion due to dipolar rotational polarization, interfacial polarization, free space charge and bound ion polarization, are examined in an attempt to explain the observed data. It is concluded that there exists at present no theory to explain all the data, but the bound ion polarization mechanism appears to explain some of the results.

Résumé

Résumé

—Les propriétés diélectriques de systèmes d’électrolyte d’eau argileuse à kaolinite saturée sont déterminées sur une gamme de fréquence de 30–105c/s. On observe des constantes diélectriques très élevées à basse fréquence. Comme les données expérimentales approchent des valeurs constantes à chaque extrémité du spectre de fréquence, on peut les décrire avec un spectre relativement bien défini de temps de relâchement. La taille et l’orientation des particules, le type et le quantité d’électrolyte, et la température ont une influence sur l’accroissement diélectrique à basse fréquence et le temps de relâchement moyen. Plusieurs actions physiques, tels que le relâchement dû à la polarisation par rotation dipolaire, la polarisation interfaciale, par charge d’espaces libres ou par ions liés, font l’objet d’un examen qui tente d’expliquer les données observées. On arrive à la conclusion qu’il n’y a à présent aucune théorie pour expliquer toutes ces données, mais le mécanisme de polarisation par ions liés semble fournir une explication à certains des résultats.

Kurzreferat

Kurzreferat

Die dielektrischen Eigenschaften gesättigter kaolinitischer Ton-Wasser Elektrolytsysteme wurden im Frequenzbereich von 30 bis 105 Hz gemessen. Bei niedrigen Frequenzen wurden sehr hohe Dielektrizitätskonstanten beobachtet. Da sich die Versuchswerte an jedem Ende dieses Frequenzspektrums konstanten Werten nähern, ist en möglich dieselben durch ein recht gut um-rissenes Spektrum von Relaxationszeiten zu beschreiben. Die dielektrische Zunahme bei niedrigen Frequenzen und die durchschnittliche Relaxationszeit werden durch Teilchengrösse und Orientierung, die Art und die Menge des Elektrolyten, sowie durch die Temperatur beeinflusst. In einem Versuch die beobachteten Daten zu erklären, werden verschiedene physikalische Vorgänge, wie Relaxation infolge dipolarer Rotationspolarisation. Grenz-flächenpolarisation. freie Raumladung und gebundene lonenpolarisation untersucht. Es wird festgestellt, dass im Augenblick keine Theorie existiert, die alle Daten erklärt, aber dass einige der Resultate durch den Mechanismus der gebundenen Ionenpolarisation erklärt werden können.

Резюме

Резюме

Диэлектрические свойства систем насыщенные Э1ек1ррашмац-каошнцжоц-во(гоц определялись в частотном диапазоне от 30 до 105 гц. На низких частотах наблюдаются очень большие диэлектрические постоянные. Ввиду того, что экспериментальные данные достигают постоянных значений при каждом конце этого спектра частот, описываются они сравнительно ясно определенным спектром времени релаксации. Размер частиц и ориентация, тип и количество электролита, а также температура влияют на низкочастотное диэлектрическое приращение и на среднее время релаксации. Ряд физических процессов, как например релаксация, вызванная биполярной вращательной поляризацией, межповерхностная поляризация, пространственный заряд и поляризация связанных ионов, исследуются с целью объяснения наблюдаемых данных. Вывод доклада, что в данное время нет теории для объяснения всех данных, но механизм поляризации связанных ионов повидимому объясняет некоторые результаты.

Type
Research Article
Copyright
Copyright © 1968, The Clay Minerals Society

References

Arulanandan, K. (1966) Electrical response characteristics of clays and their relationships to soil structures: Ph.D. Thesis, University of California, Berkeley.Google Scholar
Cole, K. S. and Cole, R. H. (1941) Dispersion and absorption in dielectrics 1. Alternating current characteristics: J. Chem. Phys. 9, 341351.CrossRefGoogle Scholar
Debye, P. (1929) Polar Molecules: New York.Google Scholar
Fricke, H. and Curtis, H. J. (1937) The dielectric properties of water-dielectric interphases: J. Phys Chem. 41, 729.CrossRefGoogle Scholar
Gillespie, R. J. and Cole, R. H. (1956) Trans. Faraday Soc. 52, 1325.CrossRefGoogle Scholar
Goldsmith, B. J. and Muir, Jr. (1960) Surface ion effects in the dielectric properties of adsorbed water films: Trans. Faraday Soc. 56, 16561661.CrossRefGoogle Scholar
Helfferich, F. (1962) Ion exchange: McGraw-Hill, New York.Google Scholar
Henkel, J. H. and Van Nostrand, R. G. (1957) Experiments in induced polarization: Mining Engineering.Google Scholar
Lane, A. and Saxton, J. A. (1952) Dielectric properties of water: Proe. Roy. Soc., A213, 400.Google Scholar
LePage, W. R. (1952) Analysis of alternating current circuits: McGraw-Hill, New York.Google Scholar
Madden, T. R. and Marshall, D. J. (1958, (1959)) Induced polarization study of the causes and magnitudes in geological materials; Final Reports for Atomic Energy Commission, Unpublished.Google Scholar
Mandel, M. (1955) Bull. Soc. Chim. Beiges 64. 442.CrossRefGoogle Scholar
Mandel, M. and Jenard, A. (1963) Dielectric behaviour of aequous polyelectrolyte solutions: Trans. Faraday Soc. 59, 2158.CrossRefGoogle Scholar
Maxwell, J. C. (1873) A treatise on electricity and magnetism: Oxford University Press, Article 314.Google Scholar
Mitchell, J. K. and Arulanandan, K. (1967) Electrical dispersion in relation to soil structure: Soil Mechanics and Bituminous Materials, Research Lab. Report, University of California, Berkeley.Google Scholar
O'konski, C. T. (1960) Electric properties of macromole- cules, V. theory of ionic polarization polyelectrolytes: J. Phys. Chem. 64, 605.CrossRefGoogle Scholar
O'konski, S. T. and Shira, M. (1966) Chemical physics of ionic solutions. (Edited by Conway, B. E. and Barrada, R. G.), Chap. 18. Wiley, New York.Google Scholar
Pauly, H. and Schwan, H. P. Z. (1959) Naturforsch 146, 125.CrossRefGoogle Scholar
Sachs, S. V. and Spiegler, K. S. (1964) Radiofrequency measurements of porous conductive plugs, lon-ex- change resin-solution systems: /. Phys. Chem. 68, 1214.CrossRefGoogle Scholar
Schwan, H. P. (1957) Electrical properties of tissues and cell suspensions: Biol. Med. Phys. 5.CrossRefGoogle ScholarPubMed
Schwan, H. P., et al. (1962) On the low frequency dielectric dispersion of colloidal particles in electrolyte solution: J. Phys Chem. 66, 2626.CrossRefGoogle Scholar
Schwarz, G. (1962) A theory of the low-frequency dielectric dispersion of colloidal particles in electrolyte solution: J. Phys Chem. 66, 2626.CrossRefGoogle Scholar
Smith-Rose, R. L. (1923) Proe. Roy. Soc. (London) A140, 359.Google Scholar
Vacquier, , et al. (1957) Prospecting for ground water by induced electrical polarization: Geophysics 22, 660.CrossRefGoogle Scholar
Wagner, K. W. (1914) Arch. Elektrotech. 2, 371.CrossRefGoogle Scholar