吸着の熱力学的データから、スメクタイト粘土層間へのCHとCOの進入が明らかになった

Thermodynamic data of adsorption reveal the entry of CH and CO in a smectite clay interlayer.

• Denys I Grekov
• Tomo Suzuki-Muresan
• Andrey G Kalinichev
• Pascaline Pré
• Bernd Grambow

抄録

スメクタイト粘土の層間にガスを取り込む能力は、フィロシリケート層の組成と電荷バランス陽イオンの有効なサイズに依存して、層間の間隔によって条件付けられることが示された。これまでのX線回折や分光学的なガス/粘土界面の特性評価で示されたように、Na+やCa2+のような小さなサイズの電荷バランス陽イオンを持つスメクタイトの多くは、ある臨界値以上に基底部の間隔が開く結果として、部分的に水和した状態でのみCO2やCH4を層間に収容することができる。本研究では、9MPaまでのNaとMgを交換したモンモリロナイトについて、マノメトリック法を用いてCH4とCO2の吸着等温線を測定した。これらの粘土の脱水過程を熱重量分析と粉末X線回折により詳細に調べたところ、比表面積と比表面積の劇的な減少が見られた。その結果、完全に脱水された試料では、部分的に脱水された試料に比べて比表面積とメタンや二酸化炭素の吸着量が劇的に減少しているが、これは層間が収縮してCH4やCO2が侵入しにくくなっているためと考えられる。この観察は、スメクタイト粘土の層間間隔の開き具合によって、CH4とCO2の吸着能力が変化することを直接的に示している。

The ability of smectite clays to incorporate gases in their interlayers is shown to be conditioned by interlayer spacing, depending, in turn, on phyllosilicate layer composition and effective size of the charge-balancing cations. As illustrated by earlier in situ X-ray diffraction and spectroscopic characterization of the gas/clay interface, most smectites with small-size charge-balancing cations, such as Na+ or Ca2+, accommodate CO2 and CH4 in their interlayers only in a partially hydrated state resulting in the opening of the basal spacing, above a certain critical value. In the present study CH4 and CO2 adsorption isotherms were measured for Na- and Mg-exchanged montmorillonite up to 9 MPa using a manometric technique. The process of dehydration of these clays was thoroughly characterized by thermogravimetric analysis and powder X-ray diffraction. A dramatic decrease in specific surface area and methane and carbon dioxide adsorption capacities for fully dehydrated samples in comparison to partially dehydrated ones is assigned to the shrinkage of interlayer spacing resulting in its inaccessibility for the entry of CH4 and CO2 molecules. This observation is direct evidence of CH4 and CO2 adsorption capacity variation depending on the opening of smectite clay interlayer spacing.