Structural, crystalchemical and mineralogical characterization of metal ion adsorbed swelling clay minerals and soil clays in wetting-and-drying cycles
Fémion-adszorbeált duzzadó agyagásványok és talajagyagok kristályszerkezeti, kristálykémiai és ásványtani jellemzése laboratóriumi nedvesítési-kiszárítási ciklusokban
Title in English
Structural, crystalchemical and mineralogical characterization of metal ion adsorbed swelling clay minerals and soil clays in wetting-and-drying cycles
Mineralogy, Petrology (Council of Complex Environmental Sciences)
100 %
Panel
Earth sciences 1
Department or equivalent
Institute for Geochemical Research HAS
Starting date
2006-02-01
Closing date
2009-01-31
Funding (in million HUF)
4.800
FTE (full time equivalent)
1.41
state
closed project
Summary in Hungarian
A pályázati munka toxikus és/vagy esszenciális kétértékű fémionok (Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Ni) adszorpcióját vizsgálja eltérő rétegtöltésű és kémiai összetételű duzzadó agyagásványokon (montmorillonit, beidellit, vermikulit) és a hazánkban legelterjedtebb talajagyagokon (szmektit, klorit/vermikulit és illit/szemktit kevert szerkezetű fázisok). Ezt követően – munka legfőbb feladataként – a fémion-adszorbeált agyagásványokat nedvesítési–kiszárítási kísérletsorozatnak veti alá. Kutatja a ciklusok során jelentkező ásványtani, kristályszerkezeti, kristálykémiai és fizikai változásokat a következő paraméterek részletes vizsgálatával: ásványos összetétel, agyagásványos karakter, duzzadóképesség, rétegtöltés (nagyság, eredet, eloszlás), kémiai összetétel, az adszorpció mechanizmusa és helye, kristályszerkezet, rendezettség, krisztallitméret, deformáció, kristályhibák és alak, szemcseméret, szöveti jellegek. A fenti paraméterek és a nedvesítési–kiszárítási ciklusok közti összefüggések feltárásával a fémion-adszorbeált agyagásványok esetében környezetvédelmi (pl. hulladéklerakó szigetelésének változásai), talajtani (pl. nyomelemek eloszlásának évszakos változása) és ásványtani (újabb adatok a szmektitek kristályszerkezetéhez) kérdésekre kaphatunk választ.
Summary
The adsorption of toxic and/or essential divalent metal-ions (Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Ni) is investigated on swelling clay minerals with different layer charge and chemical composition (montmorillonites, beidellite, vermiculite), and on the most common soil clays in Hungary (smectites, chlorite/vermiculite and illite/smectite mixed layer clay minerals). In the main work of the project the metal-ion adsorbed clay minerals are subjected to wetting-and-drying cycles. The mineralogical, crystal structural, crystal chemical and physical changes due to the wetting-and-drying cycles are studied involving the following parameters: mineral composition, clay mineralogy, expansion capacity, layer charge (amount, origin, distribution) chemical composition, mechanism and site of the adsorption, crystal structure, domain size, deformation, crystal defects, morphology, particle size, textural features. Revealing of the relationship between the above parameters of metal-ion adsorbed clay minerals and the wetting-and-drying cycles yields results in the field of environmental sciences (alteration of clay liners in waste deposits), soil science (seasonal changes of the distribution of trace elements), and mineralogy (new data for the real structure of smectites).
Final report
Results in Hungarian
Nedvesítési-kiszáradási kísérletekben vizsgáltam Cu-, Pb-, Co-, Cd-, Zn- és K-adszorbeált agyagásványok, nagy agyagávány tartalmú talajok ásványtani változásait. A fő eredmények a következők:
1. A fémionokkal adszorbeált montmorillonitok a nedvesítési-kiszárítási ciklusok során megváltoznak: doménméretük, krisztallitvastagságuk csökken, bizonyos esetekben elemi rétegekre esnek szét.
2. A montmorillonit krisztallitok szétesését a nedvesítés–kiszáradás okozza, azonban jelentősen befolyásolja az adszorbeálódott fémion minősége is. Legjobban az ólom-montmorillonitok alakulnak át.
3. Szemben a K-montmorillonitokon megfigyeltekkel, a különböző nedvesítési-kiszárítási ciklusokon átesett fémion-adszorbeált montmorillonitok nem vesztik el duzzadóképességüket, szerkezetük nem rendeződik, nem illitesednek.
4. Az ólom fixálódik a montmorillonitok szerkezetében a nedvesítési-kiszárítási ciklusok hatására. Ez azt eredményezi, hogy az ólom nem cserélhető le teljesen a káliummal. Ennek mértékét befolyásolja a montmorillonit rétegtöltése: nagy rétegtöltésűben erősebben fixálódik az ólom.
5. Lehetséges új fázisok jelenhetnek meg. Ezek nagy mennyiségben tartalmazzák az adott fémiont, nagyobb Si-tartalmúak, szerkezetükben tridimit-cristobalit domének lehetnek és csupán néhány tíz nanométeresek.
6. A vermikulitok és az illitek rácsa felnyílik, hidratálódnak, szemktitesedéshez hasonló folyamaton esnek át a nedvesítés-kiszárítás során, mely növeli duzzadóképességüket.
Results in English
Mineral and structural changes of Cu-, Pb-, Co-, Zn-, Cd- and K-adsorbed swelling clay minerals (montmorillonites, vermiculites, beidellite) and clayey soil were studied in wetting and drying (WD) experiments. The main results are:
1. The montmorillonites decompose during the WD cycles: their crystallite thickness and particle size decrease significantly.
2. This decomposition is inluenced by the number of WD cycles and by the nature of the adsorbed metal ion. Pb-montmorillonites are the best affected by WD.
3. The lead is fixed in the montmorillonite structure due to WD. Lead becomes partially un-exchanged by potassium during the WD cycles.
4. The vermiculites and illites show some smectitization-like alteration during the WD. Their swelling capacity increases.
Nemeth Tibor: Complex study of adsorption of heavy metals on soil clays and pure clays by analytical electron microscopy and X-ray diffraction, 4th Mediterranean Clay Meeting, Ankara, Book of Abstracts, 2006
Nemeth Tibor; Sipos Peter: Characterization of clay minerals in brown forest soil profiles (Luvisols) of Cserhát Mountains (North Hungary), Agrokemia es Talajtan 55 (1): 39-48, 2006
Nemeth Tibor; Sipos Peter; Toth Maria; Mohai Ilona: Cu-, Pb- es Cd-adszorpcio hatasa a talajmontmorillonit kristalyszerkezetere es szerkezeti duzzadasara, Agrokemia es Talajtan 55 (2): 381-394, 2006
Németh T, Jiménez-Millán J, Sipos P, Abad I: Effect of soil clay minerals alteration and vermiculite formation on the adsorption of copper in a forest soil B horizon: a TEM-AEM and XRD study., In: Resumen de Comunicaciones. XXVII Reunión de la Sociedad Espanola de Mineralogia (11-14 September 2007, Jaen, Spain) Macla 7: 64, 2007., 2007
Németh Tibor: Layer charge and intracrystalline swelling relationships of metal ion adsorbed montmorillonites, In: Abstract Book. (Ed.) Rocha F, Terroso D, Quintela A, EUROCLAY 2007 (22-27 July, Aveiro, Portugal), 87 2007, 2007
Németh T, Jiménez-Millán J, Tóth M, Abad I: Adsorption of copper on illite: a TEM-AEM and XRD study, In: Abstract Book. (Ed.) Rocha F, Terroso D, Quintela A, EUROCLAY 2007 (22-27 July, Aveiro, Portugal), 275 2007, 2007
