Structure, Properties and Hydration of Homoionic Saturated Montmorillonite
Year: 2026
Type: book
Abstract: Kurzfassung Diese Studie untersucht das strukturelle, energetische und hydrationsabhängige Verhalten von Na+, K+, Ca2+ und Mg2+-gesättigten Montmorilloniten durch die Kombination von Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (DFT-D3) mit experimentellen Charakterisierungen natürlicher Tone (Calcigel und Secursol UHP). Die rechnerischen Analysen zeigen, dass die Zwischenschichtkationen einen entscheidenden Einfluss auf Stabilität, Quellverhalten und mechanische Eigenschaften ausüben. Na+- und Ca2+-homoionisch gesättigte Montmorillonite erweisen sich als die stabilsten, während K+- und Mg2+-homoionisch gesättigte Montmorillonite eine geringere Stabilität aufweisen. Die Minimierung der Gesamtenergie zeigt, dass elektrostatistische und Dispersionswechselwirkungen, und nicht allein der Ionenradiu, das strukturelle Gleichgewicht bestimmen. Der Basalabstand (d001) nimmt mit zunehmender Kationengröße zu (K+ > Na+ > Ca2+ > Mg2+), während die Dicke der 2:1-Schicht nahezu konstant bleibt. Das berechnete Kompressionsmodul liegt zwischen 20 und 75 GPa, wobei Na+-homoionisch gesättigte Montmorillonite die höchste Steifigkeit und K+-homoionisch gesättigte Montmorillonite die niedrigste aufweist. Die Energielandschaftsanalysen (E-Map) zeigen ferner, dass einwertige Kationen gleichmäßigere Potentialverteilungen und eine höhere Mobilität besitzen, während zweiwertige Kationen aufgrund stärkerer elektrostatischer Anziehung bevorzugt in der Nähe negativ geladener Bereiche lokalisiert sind. Hydratation verringert die Energiebarrieren für die Ionenmigration deutlich, da Wassermoleküle Hydrathüllen bilden, die die Diffusion in der Zwischenschicht erleichtern. Der Mobilitätstrend folgt der Reihenfolge Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ und verdeutlicht die zentrale Rolle der Hydratation beim Ionenaustausch und Quellverhalten. DFT-Simulationen des Quellverhaltens offenbaren schrittweise Hydratationsübergänge von Monolagen (1W) zu Doppellagen-Konfigurationen (2W). Einwertige Kationen ermöglichen aufgrund geringerer Oberflächenanziehung größere Zwischenschichtausdehnungen, während zweiwertige Kationen das Quellen durch stärkere elektrostatische Bindung begrenzen. Mit zunehmendem Wassergehalt verschiebt sich die dominante Wechselwirkung von der Kation–Oberflächen-Anziehung hin zur Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen, was zu diskreten Zunahmen des Basalabstands führt. Experimentelle Untersuchungen an Calcigel und Secursol UHP bestätigen diese rechnerischen Ergebnisse. Secursol UHP weist einen höheren smektitischen Anteil, eine größere Kationenaustauschkapazität und eine stärkere Wasseraufnahme im Vergleich zu Calcigel auf. Na⁺- und Mg2+-homoionisch gesättigte Montmorillonite zeigen das höchste Quellvermögen, während K⁺-homoionisch gesättigte Montmorillonite aufgrund geringer Hydratationsenergie eine eingeschränkte Expansion aufweist. Die XRD-Analyse zeigt hysteretische Hydratations- und Dehydratationsprozesse, Wasserrückhaltung in Mesoporen sowie eine stufenweise Zwischenschichtquellung von 0W- zu 3W-ähnlichen Zuständen mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit. Insgesamt etabliert diese Arbeit den grundlegenden Zusammenhang zwischen Kationenvalenz, Hydratationsenergie und Zwischenschicht-Elektrostatik als bestimmende Faktoren für die strukturellen, mechanischen und transportbezogenen Eigenschaften homoionisch gesättigter Montmorillonite. Der integrierte rechnerische und experimentelle Ansatz liefert eine belastbare Grundlage für die Entwicklung fortschrittlicher tonbasierter Materialien für Umwelt-, geotechnische und Ionenaustauschanwendungen.
Source: KITopen
Author: Nugraha, Irwan
Language: English
Subfield: Geochemistry and Petrology
Field: Earth and Planetary Sciences
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7222986812