Hostname: page-component-5c6d5d7d68-txr5j Total loading time: 0 Render date: 2024-08-21T23:08:38.919Z Has data issue: false hasContentIssue false
  • English
  • Français

Exchange and Selective Surface Uptake of Cations by Layered Silicates Using X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

J. M. Adams  and
S. Evans
J. M. Adams
Affiliation:
Edward Davies Chemical Laboratories, University College of Wales, Aberystwyth, Dyfed, SY23 1NE, United Kingdom
S. Evans
Affiliation:
Edward Davies Chemical Laboratories, University College of Wales, Aberystwyth, Dyfed, SY23 1NE, United Kingdom
Get access Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The cation-exchange capacities (CEC) of a previously well-characterized beidellite have been estimated nondestructively from X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) data following exchange by various cations. The CEC obtained as an atomic ratio to silicon from Na- and Ca-clays are close to that derived chemically, i.e., 0.10(2), and 0.10(1), respectively, compared with 0.12(1). However, the apparent CEC obtained following K-, Pb-, and Ba-exchange are all about 50% greater. These measurements are complemented by XPS studies of clay exchanged in a solution containing both Ca and Ba ions where XPS gave a total apparent exchange capacity relative to Si of 0.16, with 0.10 from Ca and 0.06 from Ba. Bulk chemical analysis has, however, shown that the true Ba value is only 0.01. It is concluded that the cation excess detected by XPS—a technique with a total sampling depth of only about 100 Å—is concentrated at the surfaces of the clay particles.

Резюме

Резюме

По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (КФС) после обмена различными катионами оценивались катионно-обменные способности (КОС) предварительно хорошо охарактеризованного бейделита без его разрушения. Полученные для Ка- и Са-глин КОС, как атомные отношения к кремнезему близки к отношению, полученному химическим путем, т.е., 0,10(2) и 0,10(1) соответственно по сравнению с 0,12(1). Однако, все кажущиеся КОС, полученные в результате обменов с К-, РЬ-, и Ва-выше примерно на 50%. Эти измерения были дополнены исследованиями глины с помощью КФС после реакции обмена в растворе, содержащем ионы Са и Ва. КФС показала суммарную обменную способность по отношению к 81, равную 0,16, причем вклад Са—0,10,а Ва—0,06. Объемный химический анализ, однако, показал что истинная величина для Ва является только 0,01. Было сделано заключение, что избыток катионов, отмеченный КФС —способом с суммарной глубиной исследования только примерно 100 ÅА— сконцентрирован на поверхности глинистых частиц.

Resümee

Resümee

Die Kationenaustauschkapazitäten (CEC) eines Beidelliten, der schon seit einiger Zeit charakterisiert ist, sind ohne Zerstörung durch Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) nach Austausch mit verschiedenen Kationen bestimmt worden. Die CEC Werte, welche als atomisches Verhältnis von Na- und Ca-Tonerden zu Silizium erhalten wurden, liegen sehr nahe bei denen, welche chemisch erhalten wurden, d.h., 0,10(2) beziehungsweise 0,10(1) im Vergleich zu 0,12(1). Die scheinbaren CEC Werte, die nach dem K-, Pb-, und Ba-Austausch erhalten werden, sind jedoch alle ungefähr 50% höher. Diese Messungen werden ergänzt durch XPS Untersuchungen von Tonen, die in einer Lösung von Ca- und Ba-Ionen ausgetauscht werden und in denen XPS eine gesamte, scheinbare Austauschkapazität, auf Si bezogen, von 0,16 ergab, von der 0,10 von Ca und 0,06 von Ba stammen. Chemische Massenanalyse hat jedoch gezeigt, daß der wahre Ba-Wert nur 0,01 ist. Es wird beschlossen, daß der Kationenüberschuß, welcher durch XPS Messungen, einer Methode mit einer gesamten Probentiefe von nur etwa 100 Â gefunden wurde, sich auf der Oberfläche der Tonpartikel befindet.

Résumé

Résumé

Les capacités d’échange de cations (CEC) d'une beidellite auparavant bien caractérisée ont été estimées d'une manière non destructive à partir de données de spectroscopie de photoélectrons aux rayons-X (XPS) suivant l’échange de divers cations. Les CEC obtenues en tant que proportion atomique à la silice des argiles de Na et de Ca sont proches de celles dérivées chimiquement, c.à.d., 0,10(2) et 0,10(1), respectivement, comparé à 0,12(1). Cependant, les CEC apparentes obtenues suivant l’échange de K, Pb, et Ba sont toutes environ 50% plus élevées. Ces mesures sont complimentées par des études XPS d'argile échangée dans une solution contenant à la fois des ions Ca et Ba où XPS a donné une capacité d’échange totale apparente relative à Si de 0,16, avec 0,10 venant du Ca et 0,06 venant du Ba. L'analyse chimique de masse a cependant montré que la véritable valeur pour Ba est seulement de 0,01. On a conclu que l'excès de cations détectés par XPS—une technique avec une profondeur d’échantillonage de seulement environ 100 —est concentré sur les surfaces des particules d'argile.

Keywords

BeidelliteCation ExchangeSurface ExchangeX-ray Photoelectron Spectroscopy
Type
Research Article
Information
Clays and Clay Minerals , Volume 27 , Issue 4 , August 1979 , pp. 248 - 252
Copyright
Copyright © 1979, The Clay Minerals Society

Access options

Get access to the full version of this content by using one of the access options below. (Log in options will check for institutional or personal access. Content may require purchase if you do not have access.)

References

Adams, I., Thomas, J. M., and Bancroft, G. M. (1972) An ESCA study of silicate minerals: Earth Planet. Sci. Lett. 16, 429–433.CrossRefGoogle Scholar
Adams, J. M., Evans, S., Reid, P. I., Thomas, J. M., and Walters, M. J. (1977) Quantitative analysis of aluminosilicates and other solids by X-ray photoelectron spectroscopy: Anal. Chem. 49, 2001–2008.CrossRefGoogle Scholar
Adams, J. M. and Evans, S. (1979) Determination of the cation exchange capacity (layer charge) of small quantities of clay minerals by nephelometry: Clays & Clay Minerals 27, 137–139.CrossRefGoogle Scholar
Bancroft, G. M., Brown, J. R., and Fyfe, W. S. (1977) Quantitative X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA): studies of Ba2+ sorption on calcite: Chem. Geol. 19, 131–144.CrossRefGoogle Scholar
Bennett, H. and Reed, R. A. (1971) Chemical Methods of Silicate Analysis: Academic Press, London, 73–79.Google Scholar
Briggs, D. (1977) Handbook for X-ray and UV Photoelectron Spectroscopy: Heyden and Sons, London, 153–181.Google Scholar
Counts, M. E., Jen, J. S. C., and Wightman, J. P. (1973) An electron spectroscopy for chemical analysis study of lead adsorbed on montmorillonite: J. Phys. Chem. 77, 1924–1926.CrossRefGoogle Scholar
Evans, S., Adams, J. M., and Thomas, J. M. (1979a) The surface structure and composition of layered silicate minerals: novel insights from X-ray photoelectron diffraction, K-emission spectroscopy and cognate techniques: submitted to Proc. R. Soc. London A.Google Scholar
Evans, S., Pritchard, R. G., and Thomas, J. M. (1977) Escape depths of X-ray (MgKα)-induced photoelectrons and relative photoionisation cross-sections for the 3p subshell of the elements of the first long period: J. Phys. C. 10, 2483–2498.CrossRefGoogle Scholar
Evans, S., Pritchard, R. G., and Thomas, J. M. (1979b) Relative differential subshell photoionisation cross-sections (MgKα) from lithium to uranium: J. Electron Spectrosc., in press.CrossRefGoogle Scholar
Hodgson, J. F. and Tiller, K. G. (1962) The location of bound cobalt on 2: 1 layer silicates: Clays and Clay Minerals Proc. 9th Conf. Pergamon, London, 404–411.Google Scholar
Huntress, W. T. and Wilson, L. (1972) An ESCA study of lunar and terrestrial materials: Earth Planet Sci. Lett. 15, 59–64.CrossRefGoogle Scholar
Lagaly, G. and Weiss, A. (1969) Determination of the layer charge in mica-type layer silicates: Proc. Int. Clay Conf. Tokyo: Israel Progr. Scient. Transi. Ltd., Jerusalem, p. 61.Google Scholar
Stucki, J. W., Roth, C. B., and Baitinger, W. E. (1976) Analysis of iron-bearing clay minerals by electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA): Clays & Clay Minerals 24, 289–292.CrossRefGoogle Scholar
Tiller, K. G. and Hodgson, J. F. (1962) The specific sorption of cobalt and zinc by layer silicates: Clays and Clay Minerals Proc. 9th Conf. Pergamon, London, 393–403.Google Scholar
Wagner, C. D. (1977) Factors affecting quantitative determinations by X-ray photoelectron spectroscopy: Anal. Chem. 49, 1282–1290.CrossRefGoogle Scholar
Weiss, A. (1958) Cation exchange ability of clay minerals. I. Comparison of investigation methods: Z. Anorg. Allg. Chem. 297, 232–256.CrossRefGoogle Scholar
Weiss, A., Koch, G., and Hofmann, U. (1955) Zur Kenntnis von Beidellite: Ber. Dtsch. Keram. Ges. 32, 31–37.Google Scholar
Wyatt, D. M., Carver, J. M., and Hercules, D. M. (1975) Some factors affecting the application of Electron Spectroscopy (ESCA) to quantitative analysis of solids: Anal. Chem. 47, 1297–1301.CrossRefGoogle Scholar