Synchrotron X-ray Scattering and Monte Carlo Simulations of Structure and Forces in Silicate Nanoplatelet Dispersions
(2014)- Abstract
- Clays are the world’s most widely used natural material, however, little is known regarding the microstructure as well as the forces involved in clay-water interactions, and their influence on the swelling properties. The utilization of clay platelets is nowadays a key in a number of biological and industrial applications e.g. nuclear waste management.
Bentonites from different natural sources and pure Na/Ca montmorillonite platelets have been studied experimentally and theoretically. Small angle X-ray scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS), nuclear magnetic resonance (NMR), X-ray absorption spectroscopy (XAS), transmission electron microscopy (TEM) and Cryogenic-TEM were applied to provide direct information about the... (More) - Clays are the world’s most widely used natural material, however, little is known regarding the microstructure as well as the forces involved in clay-water interactions, and their influence on the swelling properties. The utilization of clay platelets is nowadays a key in a number of biological and industrial applications e.g. nuclear waste management.
Bentonites from different natural sources and pure Na/Ca montmorillonite platelets have been studied experimentally and theoretically. Small angle X-ray scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS), nuclear magnetic resonance (NMR), X-ray absorption spectroscopy (XAS), transmission electron microscopy (TEM) and Cryogenic-TEM were applied to provide direct information about the structure of dry clays as well as clay platelets in equilibrium with a bulk solution of given ionic composition, temperature and pH. Monte Carlo (MC) simulations have been used to predict the osmotic pressure of montmorillonite dispersions. The swelling behavior is mainly regulated by counterion valency and surface charge density. Divalent counterions and high surface charge density lead to a limited swelling, while monovalent counterions favor a large swelling. This thesis has also investigated the aggregation of nanoplatelets in clay-water systems, in order to understand the effect of platelet size on the structure and swelling behavior. A new twist on aggregation phenomenon is that, really small platelets (~ 20 nm) do not form a tactoid, whereas larger platelets give rise to larger tactoids. The platelet size controls the aggregation and microstructure of silicate platelets into tactoids following an empirical relation as: N ≃ δ + α Deff, where N is the number of platelets per tactoid, Deff is the effective diameter of platelets, δ and α are constants. (Less) - Abstract (Swedish)
- Popular Abstract in Swedish
Lera-vatten-systemet finns i stort sett överallt i vår omgivning. Syftet med
denna avhandling är att identifiera och undersöka egenskaper hos leror som
är av betydelse för deras inbördes växelverkan. Leror är sammansatta av två
eller tre molekylära lager och får därför en relativt komplex fördelning av elektrostatiska laddningar. Denna fördelning förändras med olika betingelser
i lösningen, salthalt och pH. Många länder planerar ett djupförvar med flera
skyddsbarriärer för använt kärnbränsle. I det svenska djupförvaret för kärnbränsle ska kompakterad Wyoming-bentonit (MX80) användas som barriär mellan
kopparkapslar med utbränt kärnbränsle och... (More) - Popular Abstract in Swedish
Lera-vatten-systemet finns i stort sett överallt i vår omgivning. Syftet med
denna avhandling är att identifiera och undersöka egenskaper hos leror som
är av betydelse för deras inbördes växelverkan. Leror är sammansatta av två
eller tre molekylära lager och får därför en relativt komplex fördelning av elektrostatiska laddningar. Denna fördelning förändras med olika betingelser
i lösningen, salthalt och pH. Många länder planerar ett djupförvar med flera
skyddsbarriärer för använt kärnbränsle. I det svenska djupförvaret för kärnbränsle ska kompakterad Wyoming-bentonit (MX80) användas som barriär mellan
kopparkapslar med utbränt kärnbränsle och berget. Bentonit väljs på grund av
sin kompakta mikrostruktur samt stora svällningsförmåga. Därför är det intressant
att beskriva svällningen och det osmotiska trycket för leran då den står i
jämvikt med en vattenfas som innehåller en blandning av, mono- och divalenta
motjoner.
Arbetet i denna avhandling omfattar experimentella och teoretiska studier
av svällning i leror, dialys-metoder och olika former av struktur-mätningar mha
röntgen-synkrotronljus, elektronmikroskop (cryo-TEM), dynamiskljusspridning
(DLS) och kärnmagnetresonans (NMR). Enkla modeller har visat sig användbara
för att teoretiskt beskriva leran. Dessa och experimentella metoder har använts
för att belysa strukturen hos både lera och en lera i jämvikt med en bulklösning
av given saltsammansättning.
Simuleringarna förutsäger en kraftig svällning hos leror vars motjoner domineras
av mono-valenta joner såsom Na(+) i god överensstämmelse med dialysexperiment.
För leror med divalenta motjoner förutsägs en mycket begränsad
svällning - ungefär ett 1 nm tjockt vattenlager mellan lerskikten. Detta motsäges
av dialysexperiment som visa större svällning. Man kan observera aggregation
av flera partiklar till en större partikel, sk tactoid. Lågvinkelröntgenspektroskopi
(SAXS) har använts för att bestämma avstånden mellan lerskikten
och den visar något förvånande att vattenlagret i kalciumleror är just 1 nm, helt
i överensstämmelse med simuleringar. Slutsatsen är att leror med divalenta
motjoner (kalcium/magnesium montmorillonit), sväller enligt två mekanismer:
en intralamellär och en extralamellär svällning. Den förra kan vi förstå både
kvalitativt och kvantitativt, men den senare är beroende av partikel storleken i
lera-vatten-systemet. Avhandlingen beskriver hur storleksfördelning av lerflak
styr bildandet av tactoider. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/4437585
- author
- Segad, Mo LU
- supervisor
-
- Bo Jönsson LU
- Ulf Olsson LU
- opponent
-
- Vroege, Gert Jan, Debye Research Institute, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands
- organization
- publishing date
- 2014
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- SAXS, MC simulations, Swelling, Tactoids, EXAFS, DLS, Cryo-TEM, Nanoplatelets, MX80, Na/Ca montmorillonite.
- pages
- 143 pages
- publisher
- Lund University, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Theoretical Chemistry
- defense location
- lecture hall C, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lund
- defense date
- 2014-05-22 10:30:00
- ISBN
- 978-91-7422-353-8
- DOI
- 10.13140/RG.2.1.4073.0085
- language
- English
- LU publication?
- yes
- additional info
- The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Theoretical Chemistry (S) (011001039)
- id
- 73d754f6-badd-4e27-bec3-bda936b43146 (old id 4437585)
- alternative location
- https://www.researchgate.net/publication/282189662_Synchrotron_X-ray_Scattering_and_Monte_Carlo_Simulations_of_Structure_and_Forces_in_Silicate_Nanoplatelet_Dispersions
- https://scholar.google.com/citations?user=TOJ6oNMAAAAJ&hl=en
- date added to LUP
- 2016-04-04 10:12:50
- date last changed
- 2018-11-21 20:57:28
@phdthesis{73d754f6-badd-4e27-bec3-bda936b43146, abstract = {{Clays are the world’s most widely used natural material, however, little is known regarding the microstructure as well as the forces involved in clay-water interactions, and their influence on the swelling properties. The utilization of clay platelets is nowadays a key in a number of biological and industrial applications e.g. nuclear waste management. <br/><br> Bentonites from different natural sources and pure Na/Ca montmorillonite platelets have been studied experimentally and theoretically. Small angle X-ray scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS), nuclear magnetic resonance (NMR), X-ray absorption spectroscopy (XAS), transmission electron microscopy (TEM) and Cryogenic-TEM were applied to provide direct information about the structure of dry clays as well as clay platelets in equilibrium with a bulk solution of given ionic composition, temperature and pH. Monte Carlo (MC) simulations have been used to predict the osmotic pressure of montmorillonite dispersions. The swelling behavior is mainly regulated by counterion valency and surface charge density. Divalent counterions and high surface charge density lead to a limited swelling, while monovalent counterions favor a large swelling. This thesis has also investigated the aggregation of nanoplatelets in clay-water systems, in order to understand the effect of platelet size on the structure and swelling behavior. A new twist on aggregation phenomenon is that, really small platelets (~ 20 nm) do not form a tactoid, whereas larger platelets give rise to larger tactoids. The platelet size controls the aggregation and microstructure of silicate platelets into tactoids following an empirical relation as: N ≃ δ + α Deff, where N is the number of platelets per tactoid, Deff is the effective diameter of platelets, δ and α are constants.}}, author = {{Segad, Mo}}, isbn = {{978-91-7422-353-8}}, keywords = {{SAXS; MC simulations; Swelling; Tactoids; EXAFS; DLS; Cryo-TEM; Nanoplatelets; MX80; Na/Ca montmorillonite.}}, language = {{eng}}, publisher = {{Lund University, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Theoretical Chemistry}}, school = {{Lund University}}, title = {{Synchrotron X-ray Scattering and Monte Carlo Simulations of Structure and Forces in Silicate Nanoplatelet Dispersions}}, url = {{http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.4073.0085}}, doi = {{10.13140/RG.2.1.4073.0085}}, year = {{2014}}, }