STUDY OF MECHANISM OF STRUCTURE FORMATION IN AQUEOUS DISPERSIONS OF NA+-SMECTITES

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Present paper contains the results of an experimental study of the colloidal structures and rheology of aqueous dispersions of Na+-montmorillonite, which were obtained by capillary and rotational viscometry methods. Aqueous dispersions of clay colloids undergo significant structural changes, accompanied by great change in the type of the flow. All these changes are managed by alteration in indifferent electrolyte concentration within a narrow concentration range. Certain critical concentration was found to appear near about 3 mM NaCl concentration for the series of dispersions with 0.25–3.0 wt% solid content. This concentration point is significantly lower than the coagulation thresholds known from the experimental and theoretical works in this field. Existence of such a critical region may reflects both processes of formation/disruption of aggregates and change in the mechanism of either aggregation or structure formation. The obtained rheological data were compared with theoretical calculations and the results of dispersion analysis (by DLS method) of aqueous dispersions which might make a bit development in the field of colloid structure investigation of smectite dispersions.

About the authors

B. V. Pokidko

Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy, and Geochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: pokidko2000@mail.ru
35 Staromonetny Lane, Moscow, 119017 Russia

O. A. Dulina

MIREA – Russian Technological University, Department of Nanoscale Systems and Surface Phenomena

Author for correspondence.
Email: pokidko2000@mail.ru
78 Vernadsky Ave., Moscow, 119484 Russia

References

  1. Van Olphen H. An Introduction to Clay Colloid Chemistry. 1963. NY and London: Wiley, 1963.
  2. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС. 2013. С. 576.
  3. Handbook of clay science. Sec. ed. Part A. Fundamentals. Edited by F.Bergaya and G. Lagaly. Oxford, UK: Elsevier. 2006. Ch.8 (Colloid clay science. ed. by G.Lagaly, I.Dekany, pp. 243–346), p. 1246, ISBN: 0080441831.
  4. Bailey L., Lekkerkerker H.N.W., Maitland J.C. Smectite clay – inorganic particle mixed suspensions. Phase behavior and rheology // Soft Matter. 2015. V. 11. № 2. P. 222–236. https://doi.org/10.1039/c4sm01717j
  5. Norrish K. The swelling of montmorillonite // Discussions of the Faraday Society. 1954. V. 18. P. 120. https://doi.org/10.1039/c4sm01717j 134. https://doi.org/10.1039/df9541800120
  6. Michot L.J., Bihannic I., Porsch K. Phase diagrams of Wyoming Na-montmorillonite clay. Influence of particle anisotropy // Langmuir. 2004. V. 20. № 25. P. 10829–10837. https://doi.org/10.1021/la0489108
  7. Abend S., Lagaly G. Sol–gel transitions of sodium montmorillonite dispersions // Applied clay science. 2000. V. 16. № 3–4. P. 201–227 https://doi.org/10.1016/s0169-1317(99)00040-x
  8. Pilavtepe M., Delavernhe L., Steudel A. et al. Formation of arrested states in natural di- and trioctahedral smectite dispersions compared to those in synthetic hectorite – a macro- and microrheological study // Clays and clay minerals. 2018. V. 66. № 4. P. 339–352. https://doi.org/10.1346/CCMN.2018.064102
  9. Kimura H., Okubo T. Rheological properties of sodium montmorillonite in exhaustively deionized dispersions and in the presence of sodium chloride // Colloid and polymer science. 2002. V. 280. № 6. P. 579–583. https://doi.org/10.1007/s00396-001-0647-y
  10. Shoaib M., Khan S., Wani O.B., Adala A., Seiphoori A., Bobicki E.R. Modulation of soft glassy dynamics in aqueous suspensions of an anisotropic charged swelling clay through pH adjustment // Journal of colloid and interface science. 2022. V. 606. № 1. P. 860–872. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.034
  11. Pecini E.M.; Avena M.J. Measuring the isoelectric point of the edges of clay mineral particles: The case of montmorillonite // Langmuir. 2013. V. 29. № 48. P. 14926–14934. https://doi.org/10.1021/la403384g
  12. Secor R.B., Radke C.J. Spillover of the diffuse double layer on montmorillonite particles // Journal of colloid and interface science. 1985. V. 103. № 1. P. 237–244. https://doi.org/10.1016/0021-9797(85)90096-7
  13. Tombacz E., Szekeres M. Colloidal behavior of aqueous montmorillonite suspensions: the specific role of pH in the presence of indifferent electrolytes // Applied clay science. 2004. V. 27. № 1–2. P. 75–94. https://doi.org/10.1016/j.clay.2004.01.001
  14. Miller S.E., Low P.F. Characterization of electrical double layer of montmorillonite // Langmuir. 1990. V. 6. № 3. P. 572–578. https://doi.org/10.1021/la00093a010
  15. Chen J.S., Cushman J.H., Low P.E. Rheological behavior of Na-montmorillonite suspensions at low electrolyte concentrations // Clays and clay minerals. 1990. V. 38. № 1. P. 57–62. https://doi.org/10.1346/ccmn.1990.0380108
  16. Lagaly G., Ziesmer S. Colloid chemistry of clay min erals: the coagulation of montmorillonite dispersion // Advances in colloid and interface science. 2003. V. 100–102. P. 105–128. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(02)00064-7
  17. Kaufhold S., Kaufhold A., Dohrmann R. Comparison of the critical coagulation concentrations of allophane and smectite // Colloids and interfaces. 2018. V. 2. № 1. P. 1–14. https://doi.org/10.3390/colloids2010012
  18. Jackson, M.L. Soil Chemical Analysis: Advanced Course; UW-Madison Libraries parallel press, 2005; ISBN 1-893311-47-3.
  19. Koroleva T., Krupskaya V., Tyupina E., Morozov I., Kozlov P., Pokidko B., Zakusin S., Zaitseva T. Impacts of impurity removal chemical pretreatment procedures on the composition and adsorption properties of bentonites // Minerals. 2024. V. 14. № 8. P. 1–14. https://doi.org/10.3390/min14080736
  20. Покидько Б.В., Крупская В.В., Белоусов П.Е., Закусин С.В. Методика измерения емкости катонного обмена по адсорбции комплекса меди (II) с триэтилентетрамином – Cu-trien. ФБУ Ростест-Москва, Свидетельство об аттестации №АВ 0003160, метод № 1002/03 RA.RU. 311703-2022.
  21. Глины формовочные бентонитовые. ГОСТ 28177-89.
  22. Покидько Б.В. Экспериментальные методы точной оценки состава обменного комплекса смектитов и бентонитовых глин. Материалы VII Российской школы по глинистым минералам «Argilla Studium-2022», Москва: ИГЕМ РАН. 2022. C. 32–34.
  23. Kaufhold S, Dohrmann R., Stucki J.W., Anastacio A.S. Layered charge density of smectites – closing the gap between the structural formula method and the alkyl ammonium method // Clays and clay minerals. 2011. V. 59. № 2. P. 200–211. https://doi.org/10.1346/CCMN.2011.0590208
  24. Tsipursky S.J., Eisenhour D.D., Beall G.W. at al. Method of determining the composition of clay deposit. United state patent 6235533, 2001. AMCOL Int Corp. G01N 33/00
  25. Weber Ch., Kaufhold S. Hamaker functions for kaolinite and montmorillonite // Colloid and interface science communications. 2021. V. 43. P. 100442. https://doi.org/10.1016/j.colcom.2021.100442
  26. Segad M., Jonsson Bo., Akesson T., Cabane B. Ca/Na montmorillonite: structure, forces and swelling properties // Langmur. 2010. V. 26. №. 8. P. 5782–5790. https://doi.org/10.1021/la9036293
  27. Baravian C., Vantelon D., Yhomas F. Rheological determination of interaction potential energy for aqueous clay suspensions // Langmuir. 2003. V. 19. № 19. P. 8109–8114. https://doi.org/10.1021/la034169c
  28. Kaufhold S., Dohrmann R., Koch D., Houben G. The pH of aqueous bentonite suspensions // Clays and Clay Minerals. 2008. V. 56. № 3. P. 338–343. https://doi.org/10.1346/CCMN.2008.0560304
  29. Holmboe M., Wold S., Jonsson M. Porosity investigation of compacted bentonite using XRD profile modeling // Journal of contaminant hydrology. 2012. V. 128. № 1–4. P. 19–32. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2011.10.005

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».