Evaluation of the Tactoid Formation in Clay Systems

Abstract

Clay minerals consist of anisotropic nanoplatelets where the majority of the clay minerals are highly charged, and thus, swell in aqueous solution. The structure and swelling depend on the type of clay mineral, and also on the ionic composition, and temperature. The natural clay mineral montmorillonite have been studied both theoretically and experimentally. Theoretically, coarse-grained models have been used to represent the clay platelets where Monte Carlo (MC), and molecular dynamics (MD) simulations have been utilized to study the electrostatic interactions between the platelets. Experimentally, the structure has been studied with small angle X-ray scattering (SAXS), and the swelling has been studied by swelling pressure measurements in a test cell.

The research in this thesis has been focused on the tactoid formation, i.e. platelets aggregating in a face-to-face configuration with an equidistant separation, as a function of the divalent counterion charge ratio, and as an effect of the relative permittivity of the solvent. It was found that it was possible to tune the electrostatic interactions to obtain a transition from a repulsive to an attractive system when increasing the divalent counterion charge ratio or by decreasing the relative permittivity of the solvent. Moreover, the temperature response was investigated, where it was found that the electrostatic interactions alone can give a positive, negative, or constant osmotic pressure response with temperature.

Abstract (Swedish)

Lera består utav små finkorniga lermineraler, vilka utgörs till stor del av elektrostatiskt laddade nanopartiklar, även kallade lerplattor. En lerplatta har en tjocklek på en miljarddels meter och dess diameter kan variera alltifrån fem till tusen gånger större än tjockleken, vilket kan jämföras med ett A4-ark, där kortsidan är tusen gånger större än tjockleken. Denna storleksskillnad ger upphov till att lerplattorna är anisotropa, alltså att de har olika fysikaliska egenskaper i olika riktningar. Vad gäller lermineralens specifika struktur, egenskaper och komposition finns det en stor variation där ingen är den andra lik och detta beror på vilken typ av bergart lermineralen kommer ifrån. I huvudsak består en lerplatta utav ett tetraediskt lager innehållandes kisel som är omgivet av varsitt oktaedriskt lager innehållandes aluminium på båda sidor. Denna struktur är negativ laddad då det förekommer utbyten mellan kisel och aluminium jonerna mot joner med lägre laddning (valens), och för att bibehålla ett neutralt system existerar det positiva joner (motjoner) mellan lerplattorna. Det är denna negativa laddning på lerplattorna och dess motjoner som ger upphov till lerans svällande egenskaper.

Lera används inom många tillämpningsområden, bland annat vid kärnavfallsförvaring, papperstillverkning och vid borrning av gas eller olja. För slutförvaringen av det farliga radioaktiva avfallet från de svenska kärnkraftverken planerar Sverige att placera avfallet i kopparkapslar som skall bäddas in i bentonitlera 500 meter under marken i urberget. Bentonitleran består till huvudsak av lermineralen montmorillonit, och tanken är att denna skall skydda kopparkapseln både fysiskt och kemiskt under väldigt lång tid. På grund utav detta är det mycket viktigt att utvärdera lerans egenskaper samt hur den påverkas av exempelvis jonerna i grundvattnet, temperatur och tryck, allt för att få en förståelse över hur den beter sig under olika faktorer.

I studierna som är presenterade i denna uppsats har lermineralen montmorillonit använts för att undersöka hur dess strukturella egenskaper och svällning beror på andelen divalenta motjoner, temperatur och typ av lösningsmedel, vilka har studerats både teoretiskt med datorsimuleringar samt med olika experimentella tekniker. Exempelvis, strukturen har analyserat med ljusspridning och det osmotiska trycket har mätts med hjälp av tryckmätningar i en test cell. Teoretiskt, har grovkorninga modeller använts för att representera lerplattorna, antingen som två laddade parallella oändliga ytor eller som flera små laddade plattor i en låda. Syftet med simuleringarna är att försöka få en koppling mellan teori och experimentella observationer. Främst har fokus legat på att få en förståelse över hur de elektrostatiska interaktionerna inom systemet påverkar dess struktur och svällning.

Det har visats sig att det är möjligt hitta en övergång ifrån ett repulsivt till ett attraktivt system enbart genom att justera de elektrostatiska interaktionerna i systemet. Detta fångades genom att antingen ändra valensen på motjonerna, från monovalent till divalent, eller genom att ändra lösningsmedlet, från vatten till alkohol. Dessutom, visade det sig att temperaturen har en påverkan på systemet, där det osmotiska trycket antingen kunde vara positivt, negativt eller konstant beroende på temperatur och typ av motjon, vilket kan beskrivas enbart utifrån de elektrostatiska interaktionerna.

• author: Jansson, Maria
• supervisor: Marie Skepö; Jan Forsman
• organization: Computational Chemistry; eSSENCE: The e-Science Collaboration
• publishing date: 2019-04-12
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Theoretical Chemistry
• keywords: Lera, Montmorillonit, Nano-plattor, Taktoider, Anisotropi, Grov korninga modeller, MD simuleringar, MC simuleringar, SAXS, Svälltryck, Clay, Montmorillonite, Nanoplatelets, Tactoid, Anisotropy, Coarse-grained models, MD simulations, MC simulations, SAXS, Swelling pressure
• pages: 76 pages
• ISBN: 978-91-7422-649-2
• ISBN: 978-91-7422-648-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a15b0444-bd63-4e02-8af0-16368bdd881c
• date added to LUP: 2019-04-12 14:19:44
• date last changed: 2021-07-20 15:15:12