background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 53, 2, BRATISLAVA, APRIL  2002

71 — 77

ANALYSIS OF LOW CONCENTRATION OF FREE FERRIC OXIDES IN

CLAYS BY VIS DIFFUSE REFLECTANCE SPECTROSCOPY

AND VOLTAMMETRY

TOMÁŠ GRYGAR

1,*

, JIŘÍ DĚDEČEK

2

 and DAVID HRADIL

1

1

Institute of Inorganic Chemistry AS CR, 250 68 Řež, Czech Republic; *grygar@iic.cas.cz

2

J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry AS CR, Dolejškova 3, 183 23 Prague 8, Czech Republic

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

Abstract: Ferric oxide admixtures in the concentration range 0.1—10 % in soils, sediments, and clay mineral samples can
be  conveniently  characterized  by  Vis  diffuse  reflectance  spectroscopy  (DRS)  in  the  region  of  d-d  electron  transitions
close  to  500  nm,  voltammetry  of  microparticles,  and  voltammetry  with  carbon  paste  electroactive  electrode  (CPEE).
DRS  also  detects  Fe(III)  in  the  clay  mineral  matrix  equally  sensitively.  Voltammetry  of  microparticles  is  suitable  for
direct detection of free crystalline and amorphous ferric oxides. The determination limit of total free ferric oxides with
CPEE is ~0.01 %. The techniques were tested with six clay mineral samples. XRD was able to detect free FeOOH in only
one of them (1.6 %), DRS and CPEE also detected 0.19 % FeOOH in Be-3 (bentonite of Rokle deposit, Bohemia) and
0.04 % in reference montmorillonite SWy-2.

Key words: voltammetry, Vis spectroscopy, analysis, FeOOH, Fe

2

O

3

.

Introduction

Fe in oxic soils, sediments, and clay minerals is present in sev-
eral forms. In the total amount of Fe, free ferric oxides are an
important class of phases, and their analysis is a typical task of
solid-state  speciation.  Speciation  by  XRD  is  complicated  by
poor crystallinity and low concentration of free ferric oxides,
commonly  below  the  detection  limit  of  about  1 %  for  well
crystalline and > 10 % for poorly crystalline species. Chemical
extraction by dithionite-citrate-bicarbonate (DCB) or ammoni-
um oxalate solutions is conventionally used for quantification
of  the  free  ferric  oxides,  but  the  phase  specificity  of  extrac-
tions  is  commonly  overestimated.  Mössbauer  spectroscopy
and selective chemical extraction can be used if the content of
free  ferric  oxides  is  > 0.1 %  (Komadel  et  al.  1998).  Recently
another two convenient experimental techniques were reported
to be sufficiently sensitive and specific for this analytical task:
Vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS) and voltammetry.
Although both these techniques are almost traditionally used
in analysis of inorganic solids, they have been applied to ferric
oxides in low concentrations for geochemical analysis as late
as in the last decade. Vis spectroscopy was proposed to deter-
mine  soil  goethite  and  hematite  in  concentrations  > 0.1 %
(Malengreau 1996; Scheinost et al. 1998). DRS was also used
for  phase  identification  in  poorly  crystalline  palagonitic  soil
(Morris  et  al.  1993).  Voltammetry  of  microparticles  (VMP)
was found to be similarly sensitive to detect and semi-quanti-
tatively analyze free ferric oxides in paleosoils (Grygar & van
Oorschot 2002) and in lacustrine sediments (van Oorschot et
al.  2001).  Another  electrochemical  technique,  voltammetry
with a carbon paste electroactive electrode (CPEE) was used
for  quantitative  analyses  of  pure  synthetic  ferric  oxides  (Le-
cuire  1975)  and  pure  natural  ilmenites  (Andriamanana  et  al.
1984), but it has not been used for analysis of sub-percent con-

centration in mixtures, although the detection limit of CPEE
can be as low as 0.02 % (Brainina & Vydrevich 1981). As it
was shown by using rock magnetism methods, free ferric ox-
ides in paleosoils and sediments bear information that can be
related  to  the  paleoenvironment  in  the  Quaternary  (Dekkers
1997).  Such  analyses  are  enabled  by  particular  sensitivity  of
rock  magnetic  measurements  to  ferrimagnetic  phases  Fe

3

O

4

and 

γ

-Fe

2

O

3

.  However,  there  is  a  clear  lack  of  methods  that

would similarly sensitively detect antiferromagnetic and para-
magnetic pigment ferric oxides, mainly hematite and goethite,
whose  ratio  also  has  a  well-established  environmental  diag-
nostic  value  (Cornell  &  Schwertmann  1996).  The  need  for
such  methods  is  particularly  relevant  with  respect  to  wide-
spread occurrence of non-ferrimagnetic pigment ferric oxides
in the environment.

The  aim  of  this  study  was  to  apply  Vis  spectroscopy  and

voltammetry in analysis of free ferric oxides in selected well-
characterized clay mineral samples to evaluate the sensitivity
and specificity of these techniques, which are rather novel in
geochemical analysis. DRS seems to be a very promising tool
for detection of Fe(III) in free oxides as well as in clay miner-
al’s skeleton. Our aim is hence to promote application of these
techniques because their full utilization is conditioned by col-
lecting  more  data  for  comparative  purposes  taking  into  ac-
count the large structural variability of clay minerals.

Experimental

Samples

The samples of clay minerals are described in Tables 1 and

2. X-ray powder diffraction (XRD) was used for mineralogical

MECC ‘01

background image

72                                                                        GRYGAR,  DĚDEČEK  and  HRADIL

analyses with SIEMENS D-5005 (CuK

α

 radiation, secondary

monochromator, 40 kV, 30 mA).

Samples KGa-2, PF-1, STx-1 and SWy-2 and their mineral-

ogical  and  chemical  composition  were  provided  by  Source
Clay  Repository  of  the  Clay  Minerals  Society  in  Missouri,
U.S.A.  The  content  of  clay  minerals  was  also  confirmed  by
additional XRD measurements under conditions described be-
low.

Samples KIC-8 and Be-3 were separated from the raw mate-

rial  so  that  they  would  be  representative  and  prepared  for
measurement as non-orientated mixtures (dried and powdered
in an agate mill, measured in the 2

θ

 range 3—80

°, step 0.02°

per 10 seconds). Then they were pre-treated by sedimentation
in distilled water and the clay fraction (< 4 

µ

m) was separated

and sedimented on a glass slide to make clay aggregates orien-
tated along their basal crystal planes. These orientated speci-
mens were analyzed conventionally under air-dried conditions
(in the 2

θ

 range 3—70

°, step 0.02° per 10 seconds) and under

ethylene  glycol-solvated  conditions  (in  the  2

θ

  range  3—40

°,

step 0.02

° per 2 seconds). The raw data were processed by the

ZDS program for Windows (Ondruš 1997) employing the dif-
fraction  pattern  database  (JCPDS  2000).  Clay  minerals  were
interpreted in detail according to Moore & Reynolds (1997).
Chemical analyses of bulk clay samples were obtained in the
analytical  laboratories  of  Gematest  Ltd.  and  Laboratories  of
the Geological Institutes of Charles University in Prague.

Voltammetry

The  cell  used  for  the  electrochemical  measurements  is

shown in Fig. 1. Working electrode, either with immobilized
sample particles (VMP) or with carbon paste, saturated calom-
el  reference  and  Pt-plate  counter  electrodes  were  used.  In
VMP samples were deposited mechanically on the surface of a
paraffin-impregnated  graphite  rod  (Grygar  1996;  Grygar  &
van Oorschot 2002). The working electrode was then touched
to the supporting electrolyte and fixed in the cell to minimize
the wetting of the sides of the carbon rod. This is necessary to
decrease  the  background  current,  which  arises  from  oxygen
and water reduction on the graphite surface. Because the actu-
al amount of sample on the electrode surface in VMP is not
known,  the  technique  is  suitable  for  the  phase  identification
and relative comparisons.

For  the  quantitative  analysis  a  carbon  paste  electroactive

electrode (CPEE) was prepared as in reports by Lecuire (1975)

and  Andriamanana  et  al.  (1984).  2—15  mg  sample,  about
100 mg graphite powder (Electrocarbon Topo čany, Slovakia),
and 0.1 ml acetate buffer (acetic acid to Na-acetate 1 : 1, total
acetate 1 M) were mixed in an agate mortar to obtain paste of
characteristic butter-like consistency. An important prerequi-
site for quantitative analyses with CPEE is that the loading of
the carbon paste with the ferric oxides must be a few percent
or less to be completely involved in the electrochemical reac-
tions.  Immediately  after  mixing,  20—30  mg  of  the  paste  was
spread over the surface of epoxide-resin impregnated graphite
rod, weighed, covered by a piece of microtene foil secured by
a rubber O ring (Fig. 1). The foil was laid on the paste not to
leave any air bubbles between the paste and foil, and than the
foil was perforated by a needle to ensure the electric contact
between  the  electrode  and  supporting  electrolyte.  Acetate
buffer (1 : 1, total acetate 0.2 M) was used as supporting elec-

Fig. 1. The scheme of the measuring cell and electrodes for the vol-
tammetric  measurement.  WE  –  working  electrode,  RE  –  refer-
ence  saturated  calomel  electrode,  CE  –  counter-electrode.  CPEE
electrode consists of the carbon paste with the sample, covered by a
membrane  (perforated  microtene  foil)  fixed  to  a  graphite  rod  by  a
rubber  ring.  In  VMP  the  sample  is  mechanically  attached  to  the
graphite rod.

N

2

I

E

WE CE

RE

CPEE

VMP

membrane

O-ring

carbon paste
with sample

graphite
rod

graphite
rod

sample

POTENTIOSTAT

CELL

WORKING

ELECTRODES

acetate

buffer

Sample

Origin

Grain size (

µm)

Mineralogical composition (XRD)

KGa-2

Warren County, Georgia

< 2

poorly ordered kaolinite

KIC-8

Skalná nr. Cheb – ULK clay

< 4

poorly ordered kaolinite, illite, (goethite)

STx-1

Gonzales County, Texas

< 2

Ca-montmorillonite, (cristoballite)

SWy-2

Crook County, Wyoming

< 2

Na-montmorillonite, quartz, illite, (calcite)

Be-3

Rokle, Czech Republic

< 4

Ca-montmorillonite, illite, calcite, quartz (kaolinite)

PF-1

Gadsden County, Florida

< 2

palygorskite, quartz

Table 1: General description of clay samples. Parentheses stand for less than about 5 % of the phase.

background image

 ANALYSIS  OF  LOW  CONCENTRATION  OF  FREE  OXIDES  IN  CLAYS                                       73

STx-1

ν (cm

–1

)

18,100

18,750

19,600

20,500

21,000

21,800

10

7

*A

8.2

23

18

35

7.6

12

SWy-2

ν (cm

–1

)

18,250

18,700

19,400

19,900

20,600

21,300

21,700

10

7

*A

31

65

57

200

100

200

300

Be-3

ν (cm

–1

)

18,400

19,500

20,200

21,200

21,800

10

7

*A

660

3900

1680

2500

800

KIC-8

ν (cm

–1

)

18,700

19,500

20,300

20,900

21,800

10

7

*A

860

1640

660

7090

950

PF1-1

ν (cm

–1

)

18,100

19,600

20,800

10

7

*A

1.7

300

78

KGa-2

ν (cm

–1

)

18,400

19,300

20,200

21,800

10

7

*A

3.2

40

153

18

Identification

h

h

cl-1

cl-2

cl-2 or g

g

cl-3

KGa-2

STx-1

SWy-2

KIC-8

PF1-1

Be-3

SiO

2

43.90

70.10

62.90

45.03

60.90

42.64

TiO

2

  2.08

    0.038

0.09

0.62

0.49

3.72

Al

2

O

3

38.50

16.00

19.60

33.93

10.40

12.82

Fe

2

O

3

  0.98

  0.65

3.35

5.61

2.98

11.11

FeO

  0.15

  0.15

0.32

0.25

0.40

0.35

MgO

  0.03

  3.69

3.05

0.00

10.20

2.42

CaO

  0.00

  1.59

1.68

0.17

1.98

5.77

Na

2

O

 <0.005

  0.27

1.53

0.59

        

    

  0.058

0.21

K

2

O

    0.065

    0.078

0.53

3.36

0.80

0.96

P

2

O

5

    0.045

    0.026

    0.049

0.13

0.80

0.68

CO

2

-

  0.04

0.05

-

0.11

3.17

Table 2: Elemental composition of clay mineral samples.

trolyte.  PC-controlled  potentiostat 

µ

Autolab  (EcoChemie

Utrecht, the Netherlands) was used in linear-sweep (in VMP)
or  normal  cyclic  voltammetric  mode  (with  CPEE).  The  soft-
ware package GPES 4.4 supplied by EcoChemie was used for
voltammetric data processing.

To  distinguish  goethite  and  hematite,  sub-samples  were

heated at 320 

°C to convert goethite to protohematite (Grygar

1996)  and  voltammograms  of  original  and  heated  samples
were compared (Grygar & van Oorschot  2002). Protohematite
is  more  reactive  than  the  original  goethite,  and  hence  the  re-
ductive dissolution peak of goethite is shifted to more positive
values after heating (Fig. 2B). Hematite peak position is not af-
fected by the heating.

Vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS)

Spectra  of  homogenized  powdered  samples  were  recorded

using  Perkin-Elmer  Lambda  19  UV-Vis-NIR  spectrometer
equipped  with  a  standard  device  for  measuring  powder  sam-
ples called  “praying mantis”. Spectra were recorded in the re-
gion 200—900 nm with 1 nm increment and BaSO

4

 as a refer-

ence.  The  remission  function  F(R

)  was  calculated  from  the

Schuster-Kubelka-Munk equation F(R

) = (1 R

)

2

/2 R

, where

R

 is the diffuse reflectance from a semi-infinite layer. F(R

)

of solids is proportional to the concentration of absorbing spe-
cies in solids as with absorbance in the case of dissolved com-
pounds in solutions.

Two procedures were used for the characterization of sam-

ples: decomposition of the spectra to the Gaussian bands and
analysis of the second derivative mode of the spectra. The sig-
nal noise was removed by application of Fourier filter (cross 5
points).  The  second  derivative  of  the  spectra  was  connected
with  smoothing  by  adjacent  averaging  cross  9  points.  Data
processing was carried out using the Microcal Origin 4.1 soft-
ware (Microcal Software, Inc. U.S.A.).

The region of electron pair transition (EPT), (

4

T

1

+

4

T

1

(

6

A

1

+

6

A

1

), around 500 nm (15,000—30,000 cm

—1

) was used for

the estimation and characterization of Fe(III) species in sam-
ples. The wavenumber of the Fe(III) EPT transition in hema-
tite significantly differs from corresponding transitions of oth-
er Fe oxides (Scheinost et al. 1998). However, it is necessary
to point out, that the d-d transition of Fe(III) does not allow us
to distinguish goethite from other Fe oxides (ferrihydrite, lepi-
docrocite,  maghemite,  etc.).  Spectral  characteristics  of  the
samples studied are collected in Table 3.

Results and discussion

The colour of the six studied samples varied from very pale

grayish (samples with < 1 % total Fe

2

O

3

) to yellow (KIC-8) or

yellowish  brown  (Be-3).  As  for  the  ferric  oxides,  XRD  was
only able to detect goethite in poorly ordered kaolinite sample
KIC-8.

Table  3:  Wavenumbers 

ν

  and  integral  intensities  A  of  absorption  bands  of  clay  mineral  samples  in  2nd  derivative  diffuse  reflectance

spectra. Abbreviations: h – hematite, g – goethite, cl-1, cl-2, cl-3 – clay minerals’ skeletal Fe.

background image

74                                                                        GRYGAR,  DĚDEČEK  and  HRADIL

Voltammetry of Fe oxides can in principle use one of four

electrochemical  reactions:  reductive  dissolution  to  Fe

2+

,  re-

duction to metallic Fe and its re-oxidation to dissolved Fe

2+

,

and/or oxidation of total Fe

2+

 obtained by the previous reac-

tions (Lecuire 1975; White et al. 1994; Grygar 1996). Reduc-
tive  dissolution  is  suitable  for  identification  of  ferric  oxide
phases (Lecuire 1975; Grygar 1996), but the analysis must en-
counter problem of large background current of working elec-
trode in the corresponding potential range (see the increasing
absolute value of current with decreasing potential in curves 1
and 2 in Fig. 2A). Formation of metallic Fe is only typical as a
side reaction in reduction of Fe

3

O

4

 (White et al. 1994) and 

α

-

and 

γ

-Fe

2

O

3

 polymorphs, but we did not observe that reaction

in the presented case. Re-oxidation of Fe

2+

 is most suitable for

quantitative  analysis  of  reducible  Fe  oxides  (Lecuire  1975;
Andriamanana et al. 1984), as in the corresponding potential
range there is no significant background current (peak A1 in
Fig. 2C).

VMP  was  used  to  directly  detect  reductive  dissolution  of

free ferric oxides (Grygar 1996; Grygar & van Oorschot 2002;
van Oorschot et al. 2001). Reductive dissolution:

FeOOH + 3 H

+

 + e

 = Fe

2+

 + 2 H

2

O

    

             (1)

Fe

2

O

3

 + 6 H

+

 + 2e

 = 2 Fe

2+

 + 3 H

2

O                                 (2)

is responsible for linear-sweep voltammetric peaks C1 and C2
in Fig. 2. Due to a large background current, the net electro-
chemical signal can only be obtained by subtracting the cur-
rents  of  the  1st  and  the  2nd  scans  (Grygar  &  van  Oorschot
2002), as it is shown in Fig. 2A. Discrimination between goet-
hite and hematite, which are of approximately the same elec-
trochemical  reactivity  if  their  particles  have  the  same  size
(Grygar 1996), can be done by heating a small fraction of sam-
ple at 320 

°C to produce the highly reactive form of hematite,

and comparing their voltammograms (Grygar & van Oorschot
2002). Due to the thermal conversion, the voltammetric peak
C2 of the heated sample is moved toward more positive poten-
tials if goethite is present (Fig. 2B). In such a way VMP was
able to detect goethite in samples KIC-8 and Be-3. Because in
VMP soluble reaction products including Fe

2+

 can freely dif-

fuse to the bulk of the surrounding solution, re-oxidation peak
A1 cannot be observed using this technique.

The voltammograms of reductive dissolution C1 and C2 are

worse developed using CPEE (Fig. 2C). However, contrarily
to VMP, the ferrous salt produced by the reductive dissolution
of ferric oxides according to equations (1) and (2) is retained
in the bulk of the carbon paste and can be re-oxidized in subse-
quent  anodic  scans  (peak  A1  in  Fig.  2C).  Because  the  total
amount of sample in the paste is known and the charge corre-
sponding to this re-oxidation can be recalculated to weight of
Fe using the Faraday law (Lecuire 1975), quantitative analysis
is possible without any calibration. The charge is equal to the
integral of the voltammetric peak, (the gray-highlighted area
in Fig. 2C). Because of negligible background current and no
side reactions in the  potential range of A1, CPEE determina-
tion is more sensitive than the VMP detection of free ferric ox-
ides. Using this approach, free ferric oxides were determined
in  samples  KIC-8,  Be-3,  and  SWy-2.  The  results  were  ex-

Fig.  2.  The  voltammetric  curves  of  sample  KIC-8.  A  –  linear-
sweep  VMP  of  untreated  sample,  curve  1  and  2  are  1st  and  2nd
scans, curve 3 is the difference between the 1st and 2nd scans multi-
plied  by  5.  B  –  VMP  of  original  and  heated  sample,  curves  were
offset for clarity. C – cyclic voltammetry with CPEE, 1st and 2nd
scans,  grey  area  corresponds  to  the  charge  of  Fe

2+

  oxidation.  Peak

denotation:  C1  reductive  dissolution  of  amorphous  Fe(III)  oxides,
C2 reductive dissolution of crystalline Fe(III) oxides, A1: re-oxida-
tion  of  Fe

2+

  dissolved  from  Fe(III)  oxides,  C3:  reduction  of  Fe

3+

  in

solution.

-1.2

-0.9

-0.6

-0.3

0

-6

-4

-2

0

E (V vs. SCE)

I (

A)
µ

1

2

3

C1

C2

A

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

-1.2

-0.9

-0.6

-0.3

0

E (V vs. SCE)

I (

A

)
µ

original

heated

B

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

-1

-0.5

0

0.5

1

E (V vs. SCE)

I (mA)

C3

C1,C2

A1

1

2

C

background image

 ANALYSIS  OF  LOW  CONCENTRATION  OF  FREE  OXIDES  IN  CLAYS                                       75

Sample

XRD

DRS

VMP

CPEE

KGa-2

goethite

KIC-8

goethite

goethite

goethite

                1.6 %  FeOOH

STx-1

SWy-2

(goethite)

0.04 % FeOOH

Be-3

goethite, hematite

goethite

0.19 % FeOOH

PF1-1

(goethite)

pressed as FeOOH because DRS identified goethite as the ma-
jor free ferric oxide in the samples (Table 3). The results of the
quantitative CPEE analysis are summarized in Table 4.

In contrast to the report by Xiang & Villemure (1995), we

did not observe any signs of redox cycling of the clay miner-
al’s  skeletal  Fe  ions.  Negligible  electrochemical  activity  of
skeletal Fe in montmorillonite enables its application as modi-
fier in carbon paste electrodes for analysis of dissolved elec-
troactive species (Navrátilová & Kula  2000).

The  UV-Vis  absorption  spectra  of  ferric  oxides  exhibit

strong  charge-transfer  absorption  bands  with  maximum
around 40,000 cm

—1

, followed by medium-intense d-d electron

pair  transition  (EPT)  bands  around  25,000  and  20,000  cm

—1

and  weak  d-d  bands  around  14,000 and  11,000 cm

—1

.  The

charge-transfer band is very sensitive but not phase specific.
Although the hematite band at around 11,500 cm

—1

 is enough

specific to hematite (Morris et al. 1993; Scheinost et al. 1998),
it is too weak to be applied in trace phase analysis. The EPT
bands  are  hence  most  appropriate  for  the  characterization  of
Fe(III) oxides in soils (Scheinost et al. 1998). The EPT absorp-
tion bands were distinguished according to the minima in the
2nd derivative spectra as in the previous reports (Malengreau
et al. 1996; Scheinost et al. 1998). Scheinost et al. gave wave-
number ranges of the bands by goethite (20,300—20,900 cm

—1

)

and hematite (17,700—19,200 cm

—1

, median 18,800 cm

—1

). Fer-

rihydrite band occurs at 20,000—20,700 cm

—1

, but we have not

got any proof of its presence in the samples studied.

The noise removal based on the application of Fourier filter

followed by the  second derivative of the spectra is significant-
ly better for the spectra evaluation than the cubic spline fitting
procedure applied by Scheinost et al. (1998) and Malengreau
et al. (1996), as the Fourier filter does not alter the shape of the
spectrum including weak bands (shoulders). The 2nd deriva-
tive  spectra  were  decomposed  into  Gaussian  curves  corre-
sponding to individual absorption bands and the areas of these
Gaussian  bands  were  used  as  a  measure  of  the  intensity  of
Fe(III) absorption bands in the spectrum; the results are col-
lected in Table 3. Because the absorption coefficients of the in-
dividual species are not known, integral intensities can only be
used  to  evaluate  a  relative  order  of  concentration  of  the  free
ferric oxides in the samples. Their goethite content decreased
in the following order:

KIC-8 > Be-3 > SWy-2 >> PF-1 >> STx-1

Goethite  is  absent  in  KGa-2.  Hematite  is  only  present  in  a
small amount in Be-3 and in traces in SWy-2, STx-1. Ferric
oxides found in samples are given in Table 4.

Fig. 3. 2nd derivative DR spectra of three samples. The wavenum-
bers of minima are given, Ge stands for goethite and He for hema-
tite, further absorption bands are identified in Table 3.

wavenumber / cm

-1

0

0.4

20300

 

18700

He

19500

 

21800

20900

Ge

18000

22000

20000

0.2

-0.2

KIC-8

kaolinite, illite

10^6*

2nd derivati

 of intensi

ty

ve 

Table 4: The evaluation of free ferric oxides in the clay mineral samples. Brackets denote a trace amount of the ferric oxide phase.

wavenumber / cm

-1

-0.01

0

0.02

18100

He

19600

20900

Ge

18000

22000

20000

0.01

10^

6*

2n

d

 d

e

ri

v

at

i

 o

in

te

n

s

it

y

PF1-1

palygorskite

 

ve

 

0

0.004

21800

21100

20500

Ge

19600

18750

 

18100

He

18000

22000

20000

0.002

-0.002

He

wavenumber / cm

-1

10^

6*

2n

d

 d

e

ri

v

a

ti

o

f i

n

te

n

s

it

y

STx-1

montmorillonite

 

ve

 

background image

76                                                                        GRYGAR,  DĚDEČEK  and  HRADIL

Table 5: The overall evaluation of DRS and voltammetry as tools for analysis of admixtures of free ferric oxides.

Method

Specificity

Detection/determination limit

DRS

~500 nm

Directly distinguishing goethite and hematite,

overlap of goethite with ferrihydrite and lepidocrocite

~0.1% (detection),

semi-quantitative comparisons

VMP

red. dissolution

Indirectly distinguishing goethite and hematite,

distinguishing amorphous and crystalline ferric oxides

0.1–0.5% (detection)

CPEE

Fe

2+

 re-oxidation

Only for sum of reductively dissolved Fe oxides

~0.01% (determination)

Other Fe(III) octahedral species than free ferric oxides must

be responsible for the other three absorption bands observed in
the  samples  and  denoted  cl-1  to  cl-3  in  Table  3.  As  follows
from the report by Bishop et al. (1993), Fe(III) montmorillo-
nite also absorbs in this region. The Fe(II) and Fe(II)-Fe(III)
electronic absorption bands are present at longer wavelengths
(~800 nm, Komadel et al. 1990; Morris et al. 1993), and tetra-
hedral Fe(III) are also of different spectral properties than oc-
tahedral Fe(III) (Lever 1984).

Comparing the presence of bands cl-1 to cl-3 to the kind of

clay minerals, we propose the following identification of those
bands. Band cl-1 is mainly typical for 2 : 1 clay minerals, cl-2
for  both  2 : 1  and  1 : 1  clay  minerals,  and  cl-3  is  dominant  in
samples with a significant content of mica-illite. It is notewor-
thy that 2nd derivative spectra enable resolution of as many as
seven bands in SWy-2 in a relatively narrow bandwidth, how-
ever, the fact that all these bands are present in at least one of
the  other  samples  indicates  that  certain  well-defined  species
are  responsible  for  them.  Further  study  would  be  necessary
with a larger set of clay minerals with skeletal Fe(III) to identi-
fy those species.

Conclusions

The comparison of the methods described above is summa-

rized  in  Table  5.  Both  Vis  diffuse  reflectance  spectroscopy
(EPT  bands  in  the  range  approx.  17,500—22,500 cm

—1

)  and

voltammetry can compete with XRD and other analytical tech-
niques for speciation of Fe(III), especially in analysis of free
ferric oxides in natural solid samples such as soils, sediments,
and separated clay mineral fractions. Sensitivity of these tech-
niques  is  generally  much  better  than  that  of  XRD.  Further-
more, the simultaneous speciation of free ferric oxides and oc-
tahedral  Fe(III)  in  the  clay  mineral  structure  is  a  unique  and
yet not exploited possibility of Vis spectroscopy.

Direct evidence of free ferric oxides by VMP can possibly

be  affected  by  a  simultaneous  presence  of  reducible  species,
such  as  Pb  compounds  and  oxygen,  which  must  be  expelled
from  electrochemical  system.  On  the  contrary  we  are  not
aware  of  any  interferences  in  the  determination  of  total  free
ferric oxides by re-oxidation of Fe

2+

 in CPEE. The low deter-

mination limit of CPEE (~0.01 %) is enabled by the fact, that
charges of about 0.1 mC (~0.06 

µ

g Fe

2

O

3

) can be convenient-

ly determined with a common potentiostat and with the carbon
paste containing only a few milligrams of sample.

Acknowledgment: The work on speciation of Fe oxides in a
mineral  matrix  was  solved  in  the  framework  of  the  project
supported by Grant Agency of CR (Project 205/00/1349).

References

Andriamanana  A.,  Lamache  M.  &  Bauer  D.  1984:  Etude  electro-

chemique  de  differentes  ilmenites.  Electrochim.  Acta  29,
1051—1054.

Bishop  J.L.,  Pieters  C.M.  &  Burns  R.G.  1993:  Reflectance  and

Moesssbauer  spectroscopy  of  ferrihydrite-montmorillonite  as-
semblages  as  Mars  soil  analog  materials.  Geochim.  Cosmo-
chim. Acta
 57, 4583—4595.

Brainina  Kh.Z.  &  Vydrevich  M.B.  1981:  Stripping  analysis  of sol-

ids. J. Electroanal. Chem. 121, 1—28.

Cornell R.M. & Schwertmann U. 1996: The iron oxides. VCH Wein-

heim, Germany, 375—432.

Dekkers  M.J.  1997:  Environmental  magnetism:  an  introduction.

Geol. Mijnbouw 76, 163—182.

Grygar  T.  1996:  Electrochemical  dissolution  of  iron(III)  hydroxy-

oxides:  More  information  about  the  particles.  Coll.  Czech.
Chem. Commun. 
61, 93—106.

Grygar T. & van Oorschot I.H. M. 2002: Voltammetric identification

of  pedogenic  iron  oxides  in  paleosol  and  loess.  Electroanaly-
sis
, in press.

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

for Diffraction Data, Newtown, PA, USA.

Komadel P., Lear P.R. & Stucki J.W. 1990: Reduction and reoxida-

tion of nontronite: extent of reduction and reaction rates. Clays
and Clay Miner. 
38, 203—208.

Komadel P., Grygar T. & Mehner H. 1998: Reductive dissolution and

Mössbauer spectroscopic study of Fe forms in the fine fractions
of Slovak Fe-rich bentonites. Clay Miner. 33, 593—599.

Lecuire J.-M. 1975: Réduction Électrochimique des Oxydes de Fer.

Application a la Mesure de non Stoechiométrie. J. Electroanal.
Chem. 
66, 195—205.

Lever  A.B.P.  1984:  Inorganic  electronic  spectroscopy.  Elsevier,

Amsterdam, 1—452.

Malengreau N., Bedidi A., Muller J.P. & Herbillon A. J. 1996: Spec-

troscopic  control  of  iron  oxide  dissolution  in  two  ferralitic
soils. European J. Soil Sci. 47, 13—20.

Moore D.M. Reynolds R.C. 1997: X-ray diffraction and the identifi-

cation  and  analysis  of clay minerals.  Oxford  University  Press,
Oxford.

Morris R.V., Golden D.C., Bell J.F., Lauer H.V. & Adams J.B. 1993:

Pigmenting  agents  in  Martian  Soils:  Inferences  from  spectral,
Mössbauer,  and  magnetic  properties  of  nanophase  and  other
iron oxides in Hawaiian Palagonitic Soil PN-9. Geochim. Cos-
mochim. Acta 
57, 4597—4609.

Navrátilová Z. & Kula P. 2000: Cation and anion exchange on clay

background image

 ANALYSIS  OF  LOW  CONCENTRATION  OF  FREE  OXIDES  IN  CLAYS                                       77

modified electrodes. J. Solid State Electrochem. 4, 342—347.

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

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

Scheinost A.C., Chavernas A., Barrón V. & Torrent J. 1998: Use and

limitations of second-derivative diffuse reflectance spectrosco-
py in the visible to near-infrared range to identify and quantify
Fe oxide minerals in soils. Clays and Clay Miner. 46, 528—536

van Oorschot I.H. M., Grygar T. & Dekkers M.J. 2001: Detection of

small  concentrations  of  fine-grained  iron  oxides  in  soils  and

sediments by voltammetry of microparticles. Earth Planet. Sci.
Lett
. 193, 631—642.

White A.F., Peterson M.L. & Hochella M.F. 1994: Electrochemistry

and  dissolution  kinetics  of  magnetite  and  ilmenite.  Geochim.
Cosmochim. Acta
 58, 1859—1875.

Xiang Y. & Villemure G. 1995: Electrodes modified with synthetic

clay  minerals:  evidence  of  direct  electron  transfer  from  struc-
tural  iron  sites  in  the  clay  lattice.  J.  Electroanal.  Chem.  381,
21—27.