background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 53, 2, BRATISLAVA, APRIL  2002

117—121

ALUMINIUM RELEASE RATES FROM ACIDIFIED CLAY

STRUCTURES: COMPARATIVE KINETIC STUDY

DAVID HRADIL

1

, JIŘÍ HOSTOMSKÝ

and JANA SOUKUPOVÁ

2

1

Institute of Inorganic Chemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, 250 68 Řež,

Czech  Republic;  hradil@iic.cas.cz

2

Institute of Geochemistry, Mineralogy and Mineral Resources, Faculty of Science,

Charles University, Albertov 6, 128 43 Prague 2, Czech Republic

(Manuscript received October 4, 2001; accepted in revised form December 13, 2001)

Abstract: Dissolution rates of several clay materials (reference kaolinite samples, natural kaolinites of different origin,
illitic clays, halloysite) in 0.5 and 5 M sulphuric and 1 M hydrochloric acids were determined by measuring the release
rate of aluminium into solution. The X-ray powder diffraction and X-ray fluorescence methods have been employed for
mineralogical and chemical analyses of clay samples, respectively. The surface area of the samples was determined by a
N

2

 adsorption technique (BET). The dissolved Al concentration was determined by spectrophotometry. The dissolution

rate  of  kaolinite  in  0.5  M  sulphuric  acid  at  25  °C

 

is  approximately  three times  higher  than  in  hydrochloric  acid  of

formally equivalent H

+

 concentration. The dissolution in 5 M sulphuric acid is eight  times faster if the solid phase is

periodically separated from the acid solution, washed by distilled water and dried. The aluminium release rate decreases
with the increasing amounts of clay micas in kaolinitic clays and is affected by the concentration of Al in the mineral
structure. Crystallinity, as a factor reflecting the quality of the crystal structure, influences significantly the aluminium
release rates during dissolution by acids.

Key words: kaolinite, illite, halloysite, aluminium release rates, sulphuric acid, hydrochloric acid.

Introduction

 Acid-sensitive surface and soil waters are characterized by in-
sufficient neutralizing capacity to compensate for increases in
acid input, for example due to acid rain or acid main drainage,
leading to dissolution of aluminium-containing clay minerals.
Since the residence time of the surface waters is not sufficient
for attaining chemical equilibrium with the solid phase, the ki-
netics of its dissolution may be crucial for the development of
weathering profiles and for aluminium mobility.

It has been suggested by many authors (e.g. Carroll-Webb &

Walther  1988;  Carroll  &  Walther  1990;  Nagy  et  al.  1991;
Wieland  &  Stumm  1992;  Xie  &  Walther  1992;  Ganor  et  al.
1995; Devidal et al. 1997; Huertas et al. 1998 and 1999) that
the dissolution rate of kaolinite, as well as other sparingly sol-
uble silicates, in acid solutions is governed by the presence of
surface complexes at Al hydroxyl sites. Therefore, the dissolu-
tion  rate  should  be  related  to  the  accessibility  of  hydroxyl
groups on the basal octahedral and edge surfaces of the clay
mineral.

If  the  reaction  is  far  from  equilibrium,  the  reaction  rate  R

(mol  m

—2

s

—1

),  defined  as  the  release  rate  of  the  selected  ele-

ment (e.g. aluminium) per unit surface area of the solid phase,
has a direct relation to pH (or activity of protons), given, for
example, by Stumm (1990) as:

log R = log k — b pH                                                     (1)

where  b  is  the  reaction  order  and  k  is  the  reaction  constant.
Various authors give significantly different values of the reac-
tion order b, for example, for kaolinite and pH < 4 as 0.5 (Gan-
or et al. 1995) or 0.38 and —0.02 (Wieland & Stumm 1992) or

0.09 (Carrol & Walther 1990). Therefore, other factors proba-
bly affect the dissolution kinetics. The chemical composition
of the solution and the physico-chemical properties of the sol-
id phase should be taken into consideration. For example, Rid-
ley  et  al.  (1997)  found  that  dissolution  of  gibbsite  in  acidic
low-temperature  solutions  is  significantly  enhanced  by  the
presence  of  sulphate  ions,  in  comparison  to  chloride  ions.
When  all  other  parameters  are  fixed,  gibbsite  dissolves  ten
times faster in 0.005  M H

2

SO

4

 solution than in 0.01 M  HCl

solution.  Moreover,  natural  samples  of  minerals  of  the  same
chemical composition, such as kaolinites, exhibit different dis-
solution rates under the same experimental conditions (Hradil
& Hostomský 1999) and the dissolution process can be sub-
stantially faster for minerals of lower crystallinity (Soukupová
et al., in press). One may also ask what is the difference in re-
activity of a mineral surface if so-called ‘external’ hydroxyls,
which are typical for the structure of kaolinites, are absent in
2 : 1 clays, such as mica and smectite.

The aim of the present study is to compare dissolution rates

of different clay minerals and to study the influence of struc-
tural properties of the samples, their crystallinity and alumini-
um content, as well as the effect of the presence of complexing
agents (sulphates) in solution. Furthermore, the dissolution ki-
netics  of  kaolinite  and  halloysite  with  a  variable  content  of
clay micas is investigated.

Materials and methods

Two samples of pure kaolinite which differ significantly in

crystallinity  (KGa-1b  and  KGa-2,  Georgia;  USA)  have  been
used as reference materials (Fig. 1). Dissolution rates of both

MECC ‘01

background image

118                                                                HRADIL,  HOSTOMSKÝ  and  SOUKUPOVÁ

materials were measured by Sutheimer et al. (1999) at pH 3 in
nitric acid solutions and by Hradil & Hostomský (in press) at
pH 0.65 in sulphuric acid solutions, respectively. KGa-1b is
classified  as  ‘well-ordered’  and  KGa-2  as  ‘poorly-ordered’
kaolinite by Van Olphen & Fripiat (1979) using the Hinckley
index, defined as the ratio of the sum of the heights of (       )
and (       ) diffraction peaks measured from their base and the
height of (      ) peak measured from the background of the
whole diffraction record. Sutheimer et al. (1999) described the
grains of KGa-2 kaolinite as more rounded than KGa-1b, with
curved edge steps (as analysed by atomic force microscopy).
According to Konta (1994), the structural disorder is a conse-
quence of the turbostratic structure, which is manifested by a
sheet translation in the b-axis direction.

Other natural samples from different sources were pre-treat-

ed by sedimentation in distilled water and the < 4 

µ

m fraction

was  separated.  X-ray  powder  diffraction  has  been  employed
for mineralogical analyses using a SIEMENS D-5005 instru-
ment under the following measurement conditions: CuK

α

 radi-

ation, secondary monochromator, voltage 40 kV, current 30 mA,
degree range 2

θ

 3—90°, step 0.02° per 8 seconds. The raw data

were  processed  by  the  ZDS  for  Windows  program  (Ondruš
1997)  employing  the  diffraction  pattern  database  (JCPDS
2000). In addition, mineral compositions were calculated from

quantitative chemical analyses obtained by X-ray fluorescence
(Vacuum  X-ray  spectrometer  PHILIPS  PW  1404/10).  Ideal
formulas of the mineral phases given by Deer et al. (1992) and
Velde  (1992)  were  used;  volatile  compounds  were  excluded
from the calculation. The surface area of the samples was de-
termined by a N

2

 adsorption technique (BET; Brunauer et al.

1938) using a Coulter SA3100 device. The physical parameters
and mineral and chemical compositions are listed in Table 1.

The  following  dissolution  experiments  were  performed  at

25 °C:
– Continuous dissolution of samples suspended in 0.5 M and
5 M H

2

SO

4

 and in 1 M HCl;

– Discontinuous dissolution of samples in 5 M H

2

SO

4

.

In  a  continuous  experiment,  100  cm

3

  polyethylene  bottles

were filled with 70 cm

3

 of the acid solution and 0.7 g of the

solid material was added. The bottles were placed into a con-
stant  temperature  shaking  bath.  At  each  predetermined  time
interval, a bottle was taken off and the solid phase was separat-
ed by centrifugation.

In  the  discontinuous  experiment,  only  one  reaction  vessel

was  used.  The  solid  to  solution  ratio  was  the  same  as  in  the
continuous experiments, that is 0.01 g cm

—3

. At each sampling,

the whole volume of suspension was centrifuged. After decan-
tation of the solution, the solid residue was washed three times
with distilled water and dried in air at 90 °C. Then it was redis-
persed in the appropriate amount of the fresh acid solution to
restore the solid/liquid ratio (0.01 g cm

—3

) and to start the next

dissolution step.

The dissolved Al concentration was determined by spectro-

photometry (Spekol, Carl Zeiss Jena, Germany) using the Al
complex  with  Chromazurol  S  after  masking  Fe  by  ascorbic
acid (Malát 1973).

Results and discussion

Effect of sulphates and acidity

The dissolution rate of the well-ordered kaolinite KGa-1b,

defined  as  the  release  rate  of  Al  per  unit  surface  area  of  the
solid phase, in 0.5 M H

2

SO

4

 solution is three times higher than

in 1 M HCl (Table 2).

In 5 M H

2

SO

4

, aluminium release rates differ significantly

for continuous and discontinuous experiments. If samples are
washed  and  dried  periodically,  their  resulting  dissolution  is
much faster both for the pure kaolinite KGa-1b and for the il-
lite-rich clay IMt-1 (Table 2 and Fig. 2).

The dissolution rate R

Al

 (mol m

—2

s

—1

), of the pure, well-or-

dered kaolinite KGa-1b in continuous experiments in the con-
centration interval 0.5 M < c

A

 < 5 M may be approximated by

the equation:

R

Al

 = 6.32 

×

 10

—12

 . c

A

0.69

               (2)

which  was  obtained  using  two  experimental  points  given  in
Table 2.

Taking into consideration that the reaction order (with respect

to c

A

) in the acid concentration interval 0.05 M < c

A

 < 0.5 M cal-

culated for different kaolinites is always close to 0.5 (Hradil &

Fig.  1.  Powder  diffraction  patterns  of  well  and  poorly  ordered  ka-
olinites. (a) – reference clays KGa-1b vs. KGa-2, (b) – illite-rich
kaolins KIC-1 vs. KIC-8.

1 1 1

1 1 0

1 1 0

16

17

18

19

20

21

22

23

24

0

100

200

300

400

500

600

700

800

 well-ordered kaolinite 

         (KGa-1b)

 poorly ordered kaolinite 

         (KGa-2)

In

te

n

sit

y/

a.

u

.

2Theta

16

17

18

19

20

21

22

23

24

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

illite

 Kaollinite (well-ordered) with illite 

          (KIC-1, Sedlec)

 Kaolinite (poorly-ordered) with illite 

          (KIC-8, Skalná ULK clay)

In

te

n

si

ty

/a.

u

.

2Theta

a

b

background image

ALUMINIUM  RELEASE  RATES  FROM  ACIDIFIED  CLAY  STRUCTURES                                     119

Solution

Regime

Duration

(hours)

R

Al

 (mol m

-2

s

-1

)

(percentage of the
previous value
in parentheses)

log R

Al

0.5 M H

2

SO

4

Continuous

235

3.73

×10

–12

–11.43

1 M HCl

Continuous

167

1.40

×10

–12     

(35%) –11.86

5 M H

2

SO

4

Continuous

240

1.90

×10

–11

–10.72

5 M H

2

SO

4

Discontinuous 168

1.54

×10

–10  

(810%)   –9.81

Sample:

KGa-1b

KGa-2

KIC-1

KIC-8

IMt-1

HAL-1

KAO-6

Locality and origin:

Washington

County, GA,

U.S.A.

(clay)

Waren County,

GA, U.S.A.

(clay)

Sedlec, Czech

Rep.

 (clay)

Skalná -ULK clay,

Czech Rep.

(clay)

Illinois, U.S.A.

 (clay)

Michalovce,

Slovakia

(clay)

Hamr, Czech Rep.

 (sandstone

matrix)

Mineralogical composition (wt. %):

kaolinite

98

96

78

59

11

0

80

halloysite

0

0

0

0

0

95

0

illite

traces

0.5

19

34

72

0

traces

quartz

0

0

2

1

9

3

2

other phases

2

3.5

1

6

8

2

17.5

Content of Al

2

O

3

(wt. %)

39.7

38.5

36.2

33.9

24.3

36.4

35.1

Physical properties:

BET surface area
(m

2

/g)

10.1

23.5

15.5

21.3

33.8

37.7

10.1

Grain size (

µm)

< 2

< 2

< 2

< 4

< 2

< 2

< 63

References:

Van Olphen &

Fripiat (1979)

Van Olphen &

Fripiat (1979)

Hradil &

Hostomský (1999)

Effect of composition of structural layers

In order to compare different clay minerals from the point

of view of the aluminium release rate, the Al concentration in
the solid sample should be taken into account. The difference
becomes important in minerals relatively poor in aluminum.
In the Fig. 3, differences in rates related to the value of the dis-
solution  rate  of  the  reference  kaolinite  (KGa-1b)  in  0.5  M
H

2

SO

4

  solution  are  shown.  Well-crystallized  sedimentary

clays (KGa-1b, KIC-1, IMt-1 – solid circles), which differ in
illite concentration (Table 1) and, therefore, also in Al concen-
tration, exhibit significant differences in their aluminium re-
lease rates; the dissolution rates decrease with increasing con-
tent of illite (Hradil & Hostomský, in press). We suggest that
these differences are caused partially by the different content
of aluminium (Fig. 3) and probably by the absence of ‘exter-
nal’ hydroxyls in 2 :1 structures of clay micas.

 Effect of structural order

Crystallinity’ is a term describing broadly the structural per-

fection of a crystalline phase. One may assume in general that
a ‘poorly-ordered’ phase is more easily dissolved than a ‘well-
ordered’  material.  In  the  case  of  kaolinite  group  minerals,
‘crystallinity’  decreases  in  the  succession  kaolinite—hal-

Table 2: Aluminium release rates of reference well-ordered kaolin-
ite KGa-1b in different dissolution regimes and 25 °C.

Table 1: Composition and properties of studied clay samples.

Fig.  2.  Aluminium  release  in  5  M  H

2

SO

solution  in  two  experi-

mental arrangements for (a) pure kaolinite (KGa-1b); (b) illite-rich
clay (IMt-1).

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R = 1.9*10

-11

 mol m

-2

 s

-1

R =

 1.

54

*1

0

-1

0

 mo

l m

-2

 s

-1

 

continuous dissolution experiment

 

discontinuous dissolution experiment

Al (

nm

ol c

m

-2

)

Time (hrs)

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

R = 5.58

*10

-12

 mol m

-2

 s

-1

R =

 1.

56

*1

0

-1

1

 mo

l m

-2

 s

-1

 

continuous dissolution experiment

 

discontinuous dissolution experiment

Al (

nmo

l c

m

-2

)

Time (hrs)

a

b

Hostomský 1999), one can conclude that the dissolution rate at
the highest acid concentrations (0.5 M < c

A

 < 5 M) increases

with increasing acidity even more steeply than in the concen-
tration interval 0.05 M < c

A

 < 0.5 M.

background image

120                                                                HRADIL,  HOSTOMSKÝ  and  SOUKUPOVÁ

loysite—allophane (amorphous). All these phases are nearly of
the same chemical composition; halloysite has a tubular struc-
ture of rolled sheets instead of typical hexagonal flat sheets of
kaolinite and its particles are in general smaller. Even among
kaolinite samples, well- and poorly-ordered materials may be
identified, but their structural difference is not as significant as
is the difference between kaolinite and halloysite samples. In
Fig. 1, diffraction patterns of the well- and poorly-ordered ka-
olinites (reference materials KGa-1b vs. KGa-2 and illite-rich
kaolins KIC-1 vs. KIC-8) are compared. As can be seen in Fig.
3,  the  aluminium  release  rates  of  poorly-ordered  structures
(open  circles  and  squares)  are  always  higher  than  those  of
well-ordered materials (solid circles and squares). Extremely
reactive kaolinite KAO-6 (with the dissolution rate similar to
that of halloysite), has been formed by alteration processes in
sandstones of Cenomanian age related to later volcanic activi-
ty in the Tertiary, in the area of uranium underground leaching
(Stráž  pod  Ralskem,  Czech  Republic);  this  is  in  contrast  to
other samples of sedimentary origin.

It may be concluded that crystallinity, which in some way

refers to the clay’s origin, plays an important role as a factor
affecting the mineral’s reactivity and, specifically, its dissolu-
tion rate.

Conclusions

– The dissolution rate of kaolinite in 0.5 M sulphuric acid at
25 °C

 

is aproximately three times higher than in hydrochloric

acid of formally equivalent H

+

 concentration. The dissolution

in 5 M sulphuric acid is eight times faster if the solid phase is
periodically separated from acid solution, washed by distilled
water and dried.
– Aluminium release rate decreases with the increasing con-
centrations of 2 :1 clays (illites) in kaolinitic clays.
– The dissolution rate defined as the release rate of alumini-
um per surface area of the solid phase is affected by the con-

centration  of  Al  in  the  mineral  structure.  It  should  be  taken
into account if clay minerals with the different Al content are
compared.
– Crystallinity, as a factor reflecting the quality of the crystal
structure, influences significantly the aluminium release rates
in  dissolution  by  acids.  Halloysite  and  poorly-ordered  clays
formed by authigenic alteration processes are extremely reac-
tive in comparison with well-ordered sedimentary clays.

Acknowledgments:  This  work  was  supported  by  the  Grant
Agency of the Czech Republic (Grant No. 203/98/P203). The
authors are very grateful to their colleagues in the Institute of
Inorganic Chemistry, Academy of Sciences of the Czech Re-
public  (Petr  Bezdička  and  Antonín  Petřina  –  X-ray  diffrac-
tion, Tomáš Grygar – spectroscopic and spectrophotometric
methods, Václav Štengl – BET surface measurements) and in
the Gematest Ltd., Prague (Alexander Manda – X-ray fluo-
rescence) for performing the measurements and for their help
with the interpretations of the results.

References

Brunauer S., Emmert P.H. & Teller E. 1938: Adsorption of gases in

multimolecular layers. J. Amer. Chem. Soc. 60, 309—319.

Carroll S.A. & Walther J.V. 1990: Kaolinite dissolution at 25°, 60°,

and 80 °C. Amer. J. Sci. 290, 797—810.

Carroll-Webb S.A. & Walther J.V. 1988: A surface complex reaction

model for the pH-dependence of corundum and kaolinite disso-
lutions rates. Geochim. Cosmochim. Acta 52, 2609—2623.

Deer W.A., Howie R.A. & Zussman J. 1992: An introduction to the

rock-forming minerals. Longman, New York.

Devidal  J.L.,  Schott  J.  &  Dandurand  J.L.  1997:  An  experimental

study  of  kaolinite  dissolution  and  precipitation  kinetics  as  a
function of chemical affinity and solution composition at 150 °C,
40 bars, and pH 2, 6.8, and 7.8. Geochim. Cosmochim. Acta 61,
5165—5186.

Ganor J., Mogollón J.L. & Lasaga A.C. 1995: The effect of pH on

kaolinite  dissolution  rates  and  on  activation  energy.  Geochim.
Cosmochim. Acta
 59, 1037—1052.

Hradil D. & Hostomský J. 1999: Dissolution kinetics of natural ka-

olinites  at  low  pH  sulfuric  acid  solutions  –  an  example  from
Stráž pod Ralskem mineral deposit.  Acta Universitatis Caroli-
nae-Geologica
 43, 3, 537—543.

Hradil  D.  &  Hostomský  J.  (in  press):  Effect  of  composition  and

physical properties on the strong acid weathering rates of natu-
ral  kaolinites.  Catena,  Special  issue  –  Proceedings  of  the
Weathering  2000  conference  held  in  Belfast  UK,  26th  June  —
1st July 2000.

Huertas  F.J.,  Chou  L.  &  Wollast  R.  1998:  Mechanism  of  kaolinite

dissolution  at  room  temperature  and  pressure:  Part  1.  Surface
speciation. Geochim. Cosmochim. Acta 62, 417—431.

Huertas  F.J.,  Chou  L.  &  Wollast  R.  1999:  Mechanism  of  kaolinite

dissolution  at  room  temperature  and  pressure:  Part  2.  Kinetic
study. Geochim. Cosmochim. Acta 63, 3261—3275.

JCPDS 2000: Powder Diffraction File, PDF-2, International Centre

for Diffraction Data, Newtown, PA, USA.

Konta  J.  1994:  Clay  and  man:  Clay  raw  materials  in  the  service  of

man.  Czech  and  Slovak  National  Clay  Group,  Prague,  (in
Czech).

Malát M. 1973: Absorption Inorganic Photometry.  Academia, Pra-

gue, (in Czech).

Fig.  3.  Relative  aluminium  release  rates  for  different  clay  samples
in 0.5 M H

2

SO

4

 solution; effect of sample crystallinity and Al con-

centration  in  solids  (related  to  the  dissolution  rate  of  KGa-1b  ka-
olinite as the reference value).

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Effect of content
of 2:1 clay micas

Effect of lower
crystallinity

HAL-1

KAO-6

KGa-2

KGa-1b

KIC-8

KIC-1

IMt-1

Aluminium release rates of:

 well-ordered clays related to total weight of sample
 well-ordered clays related to real portion of aluminium 
 poorly-ordered clays related to total weight of sample
 poorly-ordered clays related to real portion of aluminium 

de

lta l

ogR

 (

K

G

a-

1b =

 0

)

Content of Al

2

O

3

 (wt.%)

background image

ALUMINIUM  RELEASE  RATES  FROM  ACIDIFIED  CLAY  STRUCTURES                                     121

Nagy K.L., Blum A.E. & Lasaga A.C. 1991: Dissolution and precip-

itation kinetics of kaolinite at 80 °C and pH 3. The dependence
on solution saturation state. Amer. J. Sci. 291, 649—686.

Ondruš P. 1997: ZDS – software for X-ray powder diffraction anal-

ysis. ZDS Systems Inc., Prague, Czech Republic.

Ridley M.K., Weselowski D.J., Palmer D.A., Bénézeth P. & Kettler

R.M. 1997: Effect of sulphate on the release rate of Al

3+

 from

gibbsite  in  low-temperature  acidic  waters.  Environ.  Sci.  Tech-
nol.
 31, 1922—1925.

Soukupová J., Hradil D. & Přikryl R. (in press): Chemical weather-

ing  of  clay-rich  sandstone  matrix:  control  and  case  studies.
Proceedings of the ‘Stone Weathering and Atmospheric Pollu-
tion  Network  (  SWAPNET)  2001‘  conference  held  in  Prachov
rocks in May 2001.

Stumm  W.  1990:  Aquatic  chemical  kinetics.  John  Willey  &  Sons,

New York.

Sutheimer S.H., Maurice P.A. & Zhou Q. 1999: Dissolution of well

and  poorly  crystallized  kaolinites:  Al  speciation  and  effects  of
surfaces characteristics. Amer. Mineralogist 84, 620—628.

Van Olphen H. & Fripiat J.J. 1979: Data handbook for clay minerals

and other non-metallic materials. Pergamon Press, London.

Velde  B.  1992:  Introduction  to  clay  minerals.  Chapman  &  Hall,

London.

Wieland E. & Stumm W. 1992: Dissolution kinetics of kaolinite in

acidic  solutions  at  25  °C.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  56,
3339—3355.

Xie  Z.  &  Walther  J.V.  1992:  Incongruent  dissolution  and  surface

area of kaolinite. Geochim. Cosmochim. Acta 56, 3357—3363.