Effects of Firing on Iron content of Wyoming Montmorillonite: Mössbauer and Photoacoustic Study

Abstract

Montmorillonite MMT is a naturally occurring aluminosilicate layered mineral that is made of AlO₆ (octahedron) and SiO₄ (tetrahedron), sharing top oxygen atoms. The iron oxidation state in the crystal lattice of MMT clay is critical in determining the surface and colloidal chemistry. The changes in the behavior of the structural iron in Wyoming MMT clay, upon firing from 100 ^oC up to 1000 ^oC were investigated. The transformation of iron was monitored using Mössbauer spectroscopy as the main tool, and other changes were studied using photoacoustic spectroscopy. The clay samples were fired from 100 up to 1000 ^oC. No formal change in the Mössbauer parameters was observed on firing the sample from 100 to 500 ^oC except the oxidation of Fe(II) at about 200 ^oC. The main changes in the Fe(III) Mössbauer parameters occurred upon firing from 600 ^oC up to 1000 ^oC. The isomer shift decreases gradually with increasing temperature of firing, due to the de-hydroxylation of the structure. The quadrupole splitting of the Fe(III) doublet increased, from 600 ^oC to 1000 ^oC, indicating an increase in distortion of the lattice as the temperature was raised. A slight increase in the linewidth of Fe(III) values of the fired samples from that of the original sample was also observed, suggesting that more than one iron site occurs. The photoacoustic investigations were in good agreement with Mössbauer results.

Resumen. La montmorillonita MMT es un mineral aluminosilicato laminar de origen natural, constituido por unidades de AlO₆ (octaedros) y SiO₄ (tetraedros), que comparten los átomos de oxígeno de sus vértices. El estado de oxidación del hierro en la red cristalina de la arcilla MMT es un factor crítico para determinar su química superficial y coloidal. Se investigaron los cambios en el comportamiento del hierro estructural presente en la montmorillonita de Wyoming al someterla a calcinación entre 100 °C y 1000 °C. La transformación del hierro se monitoreó principalmente mediante espectroscopía Mössbauer, mientras que otros cambios se estudiaron utilizando espectroscopía fotoacústica. Las muestras de arcilla fueron calcinadas a temperaturas comprendidas entre 100 y 1000 °C. No se observaron cambios significativos en los parámetros Mössbauer al calcinar las muestras entre 100 y 500 °C, con excepción de la oxidación del Fe(II), que ocurrió alrededor de 200 °C. Los principales cambios en los parámetros Mössbauer correspondientes al Fe(III) se produjeron al incrementar la temperatura de calcinación de 600 a 1000 °C. El desplazamiento isomérico disminuyó gradualmente con el aumento de la temperatura de calcinación, como consecuencia de la deshidroxilación de la estructura. El desdoblamiento cuadrupolar del doblete de Fe(III) aumentó entre 600 y 1000 °C, indicando un incremento en la distorsión de la red cristalina a medida que se elevaba la temperatura. Asimismo, se observó un ligero aumento en el ancho de línea de las señales de Fe(III) de las muestras calcinadas con respecto a la muestra original, lo que sugiere la existencia de más de un sitio cristalográfico para el hierro. Los estudios fotoacústicos mostraron una excelente concordancia con los resultados obtenidos mediante espectroscopía Mössbauer.