background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 53, 2, BRATISLAVA, APRIL  2002

99 — 102

REDUCED CHARGE Al-PILLARED MONTMORILLONITES:

ON THE POSSIBILITY OF CONTROLLING THE PILLAR DENSITY

KRZYSZTOF BAHRANOWSKI

1

, ADAM GAWEŁ

1

, ANDRZEJ KIELSKI

2

,

ALICJA MICHALIK

3

, EWA M. SERWICKA

3*

, EWA WISŁA-WALSH

4

 ,

KRYSTYNA WODNICKA

and CHRISTOPH ZWICKY

5

      1

Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, Academy of Mining and Metallurgy,

 al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

      2

Faculty of Ceramics and Material Sciences, Academy of Mining and Metallurgy, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

3

Institute of Catalysis and Surface Chemistry, Polish Academy of Sciences, ul. Niezapominajek 8, 30-239 Kraków, Poland

4

Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Academy of Mining and Metallurgy, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

5

Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Überlandstrasse 129, CH-8600 Dübendorf, Switzerland

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

Abstract: The microporosity of Al-pillared Li-montmorillonites with different layer charges obtained by thermal treat-
ment at different temperatures was studied by nitrogen adsorption/desorption at —196 °C. A correlation was observed
between the decreasing sorption capacity of samples derived from lithiated precursors heated at ever increasing tempera-
ture and the increasing contribution of the collapsed pyrophyllite-like areas inactive in pillaring. The dominant micropore
radius  remained  below  3.5

×

10

—1 

nm  for  all  pillared  samples,  showing  that,  contrary  to  the  common  belief,  the  layer

charge reduction by Hofmann-Klemen effect fails to bring about substantial changes in the lateral interpillar distances.

Key words:  porosity, nitrogen adsorption/desorption, pillar density, pillared clay, lithiation, reduced charge montmo-
rillonite.

Introduction

It has long been known that upon heating at about 200—300 °C
Li-exchanged montmorillonites gradually loose the cation ex-
change  capacity  (CEC)  (Hofmann  &  Klemen  1950;  Greene-
Kelly 1953; Calvet & Prost 1971; Alvero et al. 1994; Theng et
al. 1997; Karakassides et al. 1997). This effect is due to migra-
tion  of  the  interlamellar  Li

+

  ions  into  the  layer,  causing  the

neutralization  of  the  layer  charge.  A  similar  phenomenon  is
observed  with  other  cations  of  small  radius  (< 0.7

×

10

—1 

nm)

(Purnell et al. 1991). By applying different temperatures of the
heat  treatment,  montmorillonites  with  their  layer  charge  re-
duced to a different degree may be obtained (Calvet & Prost
1971;  Madejová  et  al.  1996;  Komadel  et  al.  1996).  This  ap-
proach has been used by several authors, who aimed at prepa-
ration of the pillared clays of different pillar density (Suzuki et
al. 1988, 1991; Horio et al. 1991; Purnell 1992; Jones & Pur-
nell 1993, 1994;  Sychev et al. 1997, 2000). Since the number
of pillars that may be incorporated between the clay layers de-
pends on the layer charge density of clay, it follows that upon
reduction of the layer charge fewer pillars with larger lateral
interpillar  distances  will  be  formed,  leading  to  the  develop-
ment of the sorption capacity of the micropore system as well
as  to  the  increase  of  the  micropore  radius.  Interestingly,  the
data presented in the quoted works usually show an opposite
effect, that is, the micropore specific surfaces and micropore
volumes actually decrease with lowering of the layer charge.
Such a phenomenon seems most puzzling and calls into ques-
tion the generally accepted views on the suitability of the lithi-
ating  treatment  as  a  means  for  generating  the  materials  with
controlled lateral spacing of pillars.

In the present study we decided to shed more light on this

problem by investigating the structure and texture of a series
of  Al-pillared  clays  prepared  from  Li-montmorillonite,  layer
charge of which was reduced prior to pillaring to a different
degree  by  applying  thermal  treatment  at  different  tempera-
tures.

Experimental

Materials

The material used in this study was the less than 2 µm parti-

cle-size  fraction  extracted  by  sedimentation  from  Milowice
bentonite originating from the coal mine “Saturn” in Sosnow-
iec-Milowice, Poland. The structural formula of the montmo-
rillonite  is  Na

0.38

Ca

0.16

K

0.19

(Al

2.91

Fe

0.39

Mg

0.70

)  [(Si

7.81

Al

0.19

)

O

20

](OH)

4

 and its cation exchange capacity 84 meq per 100 g.

The starting material for pillaring procedures was the lithium
form of this montmorillonite, obtained by treatment with 1 M
LiNO

3

  solution,  followed  by  multiple  washing  with  distilled

water. The product, air dried at ambient temperature is referred
to as Li-mt. Li-mt was divided into six portions, and used for
preparation of LiX-mt series, by 24 h heating at temperature X
(50, 90, 120, 170, 200 and 250 °C). These materials were used
as matrices for preparation of Al-pillared samples, following
the procedure described by Vaughan & Lussier (1980). Chlo-
rhydrol  (commercial  aluminium  hydroxychloride  manufac-
tured by the Reheis Chemical Company) was added to the vig-
orously  stirred  water  suspension  of  an  appropriate  lithiated
sample, in the amount corresponding to 6 mmol Al

3+

 per gram

*

  ncserwic@cyf-kr.edu.pl

MECC ‘01

background image

100                                                                                     BAHRANOWSKI  et al.

of clay. After 30 min of stirring the pH of the suspension (4.9)
was  brought  down  to  2  with  a  diluted  HCl  solution  and  the
mixture heated at 70 °C for 30 min. After washing till the re-
moval of Cl

, and drying in air at 50 °C, a series of solids, de-

noted LiX/Al-mt, was obtained. After an additional 3 h of cal-
cination in air at 500 °C the samples were referred to as LiX/
Al-PILC.

Methods

XRD  analyses  were  performed  on  oriented  samples  pre-

pared by spreading of the sample suspension on a glass slide
followed  by  drying  at  room  temperature.  The  XRD  patterns
were obtained with a DRON-3 diffractometer using Ni-filtered
Cu K

α

 radiation. Nitrogen adsorption/desorption experiments

were performed at —196 °C using a static volumetric method
(Micromeritics  ASAP  2000V2.03).  Prior  to  adsorption  the
samples were degassed down to 1.0

×

10

—3

 Torr at 200 °C. Ad-

sorption/desorption of nitrogen was carried out in the relative
pressure range of 0.01 < p/p

0

< 1.00 using 0.1 g of sample. Spe-

cific surface areas were determined from adsorption isotherms
by  applying  BET  and  Langmuir  equations  (S

BET

  and  S

L

,  re-

spectively) in the relative pressure range of 0.05 < p/p

0

< 0.25,

and the t method (S

t

), which consists in comparing the given

isotherm with the reference one obtained for a non-porous sol-
id (De Boer et al. 1966; Sing et al. 1985). In the present case
the  nitrogen  adsorption  isotherm  obtained  for  the  sodium-
montmorillonite heated for 20 h at 800 °C was used as a refer-
ence  absolute  isotherm.  Mesopore  surface  areas  were  deter-
mined  from  the  adsorption  branch  using  the  BJH  method
(S

mp

BJH

)  and,  independently,  from  V

a

-t  plots  (S

mp

t

)  (Bahra-

nowski et al. 2000). Micropore surface areas (S

µ

p

t

) were calcu-

lated by subtracting the mesopore surface areas S

mp

t

 from the

total specific surface areas S

t

. Mesopore volumes (V

mp

) were

determined from the adsorption branch using the BJH method
(Barrett et al. 1973), while micropore volumes (V

µ

p

t

) and the

micropore dominant radius (r

d

) were calculated with the MP

method (Mikhail et al. 1968; Mikhail & Brunauer 1975), using
0.25

×

10

—1 

nm intervals for computations. For the sake of com-

parison the micropore volumes (W

0

) were also calculated us-

ing  the  Dubinin-Radushkevich  method  (Dubinin  et  al.  1975;
Dubinin 1981).

Results and discussion

The XRD patterns of LiX/Al-mt and LiX/Al-PILC samples

are  presented  in  Figs.  1  and  2,  respectively.  The  d

(001)

  basal

spacing  of  all  uncalcined  samples  is  in  the  range  19.8—20.8

×

10

—1 

nm  (4.2°< 2

θ<4.5

°),  and  as  the  lithiating  temperature

(X) increases the 001 peak becomes broader and less intense.
Simultaneously,  the  intensity  ratio  I

10

×

10

—1

nm

/I

20

×

10

—1

nm

grows in the order 0.2 (50 °C), 0.2 (90 °C), 0.4 (120  °C), 1.3
(170 °C), 1.5 (200 °C), 2.0 (250 °C). Such a phenomenon can be
understood if one recalls that the reflection around 10

×

10

—1 

nm

(2

θ ≅ 8.8

°), which is characteristic for the second order 002

peak of the 

20

×

10

—1 

nm basal reflection of the pillared mont-

morillonite, may also be due to the montmorillonite with col-
lapsed pyrophyllite-like layers. Thus, the observed increase in

the intensity ratio I

10

×

10

—1

nm

/I

20

×

10

—1

nm

  may be interpreted as

due  to  the  increasing  contribution  from  the  pyrophyllite-like
areas generated in lithiated samples by thermal treatment. It is
worthwhile to note that in the sample dried at 120 °C a weak
shoulder  around  30

×

10

—1 

nm  (2

θ ≅ 3.0

°)  may  be  seen,  sug-

gesting a possible existence of interstratified areas with pyro-
phyllite-like/pillared  smectite  layer  ordering.  The  XRD  pat-
terns  of  calcined  LiX/Al-PILC  samples  show  a  qualitatively
similar effect. The 001 reflections are broader and more dif-
fuse, with d

(001)

 values between 17.3—18.3

×

10

—1 

nm (4.8° < 2

θ

< 5.1

°). Their intensity rapidly decreases with the increasing

temperature of preparation of the Li-mt precursor. In contrast,
the peak at ca. 10

×

10

—1 

nm persists and its intensity relative to

the 001 reflection increases, so that it dominates the patterns of
Li200/Al-PILC and Li250/Al-PILC samples. Thus, it appears,
that  upon  increasing  the  temperature  of  lithiation,  increasing
areas  of  montmorillonite  become  unable  to  reopen  during

Fig. 2.  XRD  patterns  of  LiX/Al-PILC  samples  (X  –  temperature
of lithiation).

Fig. 1. XRD patterns of LiX/Al-mt samples (X – temperature of
lithiation).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2

Θ CuKα

In

te

n

si

ty

 (a

.u

.)

250

0

C

200

0

C

170

0

C

120

0

C

90

0

C

50

0

C

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2

Θ CuKα

In

te

ns

ity

 (

a

.u.)

250

0

C

200

0

C

170

0

C

120

0

C

90

0

C

50

0

C

background image

REDUCED  CHARGE  Al-PILLARED  MONTMORILLONITES                                                 101

Parameter

Li-mt

Li50/Al-PILC

 Li90/Al-PILC

Li120/Al-PILC Li170/Al-PILC Li200/Al-PILC

Li250/Al-PILC

S

BET

 (m

2

/g)

51

265

255

196

152

107

79

S

(m

2

/g)

70

332

322

249

193

140

104

S

t

 (m

2

/g)

55

336

321

244

189

128

92

S

µp

(m

2

/g)

32

306

288

214

171

104

70

S

mp

(m

2

/g)

23

30

33

30

19

23

22

S

mp

BJH 

(m

2

/g)

32

38

41

39

27

32

27

V

µp

(cm

3

/g)

  0.016

  0.103

0.098

0.074

0.060

0.039

0.026

W

0

D-R 

(cm

3

/g)

  0.019

  0.122

0.120

0.090

0.068

0.046

0.034

V

mp

BJH 

(cm

3

/g)

  0.099

  0.089

0.092

0.098

0.089

0.083

0.096

r

d

 (nm

×10)

<3.5

    <3.5

<3.5

<3.5

<3.5

<3.5

<3.5

Hysteresis loop

H-3

H-4

H-4

H-3

H-3

H-3

H-3

treatment with pillaring solution. This indicates that the layer
charge reduction is by no means homogeneous, and even at rel-
atively low temperatures collapsed areas exist in LiX-mt pre-
cursors. A similar effect has already been reported by other au-
thors (Madejová et al. 1996; Komadel et al. 1996). Komadel et
al. (1996), who investigated the Li-exchanged thermally treat-
ed Jelšový Potok montmorillonite. They found that on increas-
ing the temperature of heat treatment, ever larger non-swelling
areas appeared. They were identified as pyrophyllite-like lay-
ers, whose contribution reached 20 % already at a temperature
as low as 135 °C. In some cases the authors observed the for-
mation of interstratified pyrophyllite-like/smectite phases. The
latter phenomenon is also seen in the present study in the pil-
lared sample derived from Li120-mt. The existence of the su-
perstructure, indicated by the shoulder in the XRD diagram of
the uncalcined Li120/Al-mt sample, becomes more obvious af-
ter  calcination.  Here,  the  XRD  pattern  of  Li120/Al-PILC
shows a resolved maximum at ca. 28

×

10

—1 

nm (2

θ ≅ 3.2

°), con-

firming the occurrence at this temperature of pyrophyllite-like/
pillared smectite interstratification.

Fig.  3  shows  the  nitrogen  adsorption/desorption  isotherms

obtained for Li-mt and all investigated LiX/Al-PILC samples.
The highest sorption capacities are observed for the Li50/Al-
PILC and Li90/Al-PILC materials. Further increase of the pre-
treatment temperature results in a steady downward shift of the
corresponding  isotherms.  The  data  gathered  in  Table  1  show
that all samples have predominantly microporous character, as
the  specific  surface  area  associated  with  this  group  of  pores
corresponds  to  70—90  %  of  the  total  value.  The  existence  of
significant microporosity affects the applicability of the BET
formalism.  In  such  cases  the  Langmuir  equation  may  give  a
better fit. Indeed, when the specific surface areas are also cal-
culated using the t method, the S

t

 values are very close to the

Langmuir specific surface areas. The most important message
conveyed by the data in Table 1 is that the main effect upon in-
creasing temperature of lithiation consists in reduction of the
total surface available for adsorption, which occurs on the ac-
count of decreasing microporosity. Starting from 120 °C pre-
treatment,  all  parameters  describing  microporosity  become
steadily reduced. An important information is provided by the
MP method, which shows that in all samples the dominant mi-
cropore radius is below 3.5

×

10

—1 

nm. Consequently, any possi-

ble change in the pillar density, in particular an increase of the
interpillar  distance  leading  to  the  increase  of  the  micropore

size, must be rather small and remains in the range not probed
by the MP method. Thus, the picture that emerges from the ni-
trogen sorption experiments confirms the conclusions drawn
on the basis of XRD analysis. The main effect occurring upon
increasing the temperature of thermal treatment of Li-mt pre-
cursor is the progressively increasing contribution of clay ar-
eas  unable  to  open  upon  pillaring,  rather  than  formation  of
material of increasing micropore sizes.

The above described mechanism of pillaring appears to be

due to the inhomogeneous character of layer charge reduction
and might be specific for a given montmorillonite. However,
in  view  of  a  similar  observation  reported  for  Jelšový  Potok
(Madejová et al. 1996; Komadel et al. 1996), and numerous

Fig.  3.  N

2

  adsorption/desorption  isotherms  at  —196  °C  for  Li-mt

and LiX/Al-PILC samples (X – temperature of lithiation).

Table 1: Textural characteristics of LiX/Al-PILC (the meaning of abbreviations in the Methods).

   Fig. 3

0

20

40

60

80

100

120

140

0

0,1

0,2

0,3 0,4

0,5 0,6

0,7 0,8

0,9

1

p/p

0

[c

m

3

/g

]

Li250/Al-PILC
Li200/Al-PILC
Li170/Al-PILC
Li120/Al-PILC
Li90/Al-PILC
Li50/Al-PILC
Li-mt

background image

102                                                                                     BAHRANOWSKI  et al.

studies in which the main effect of lithiation at increasing tem-
peratures on the properties of pillared materials was the reduc-
tion  of  the  sorption  capacity  (Purnell  1992;  Jones  &  Purnell
1993, 1994; Suzuki et al. 1988, 1991; Horio et al. 1991; Sychev
et al. 1997, 2000), it seems that the phenomenon is of a general
nature. Thus, the common belief that the layer charge reduc-
tion by Hofmann-Klemen effect allows an easy control of lat-
eral interpillar distances and enhancement of the textural prop-
erties appears to be unsubstantiated.

Conclusions

Investigation of the reduced charge Li-montmorillonite ther-

mally treated at increasing temperatures and pillared with Al
oligomers shows that the layer charge reduction occurs in an
unhomogeneous manner, resulting in ever increasing areas in-
active  in  the  pillaring  process.  In  consequence,  the  sorption
capacity of the samples, associated mainly with the microporos-
ity, diminishes. No evidence of an increase of the dominant mi-
cropore radius can be detected by the MP calculations, indicat-
ing that, any effect, if present, remains below the 3.5

×

10

—1 

nm

radius probed by this method. In view of the similar sorption
characteristics of pillared reduced charge clays reported previ-
ously by other authors, the proposed explanation of the phe-
nomena accompanying lithiation appear to be of general sig-
nificance.

Acknowledgment:  This  work  is  dedicated  to  Professor
Leszek Stoch, on the occasion of his 70

th

 birthday and 50 years

of scientific activity. The financial support by the Polish Com-
mittee  for  Scientific  Research,  KBN,  Warsaw,  within  Re-
search Project 3 T09A 079 14 is gratefully acknowledged.

References

Alvero R., Alba M.D., Castro M.A. & Trillo J.M. 1994: Reversible

migration  of  lithium  in  montmorillonites.  J.  Phys.  Chem.  98,
7848—7853.

Bahranowski  K.,  Kielski  A.,  Serwicka  E.M.,  Wisła-Walsh  E.  &

Wodnicka K. 2000: Influence of doping with copper on the tex-
ture of pillared montmorillonite catalysts.  Micropor.  Mesopor.
Mater.
 41, 201—215.

Barrett E.P., Joyner L.G. & Halenda P.P. 1951: The determination of

pore  volume  and  area  distribution  in  porous  substances.  I.
Computations from nitrogen isotherms. J. Am. Chem. Soc.  73,
373—380.

Calvet  R.  &  Prost  R.  1971:  Cation  migration  into  emptyoctahedral

sites and surface properties of calys. Clays and Clay Miner. 19,
175—186.

De Boer J.H., Lippens B.C., Linsen B.G., Broekhoff J.C.P., Van Den

Heuvel  A.  &  Osinga  Th.J.  1966:  The  t-curve  of  multilayer  N

2

adsorption. J. Colloid Interface Sci. 21, 405—414.

Dubinin M.M. 1981: Inhomogeneous microporous structures of car-

bonaceous adsorbents. Carbon 19, 321—324.

Dubinin M.M., Astakhov V.A. & Radushkevich L.V. 1975: Physical

adsorption of gases and vapours in micropores. In: Cadenhead
D.A., Danielli J.F. & Rosenberg M.D. (Eds.): Progress in sur-
face  and  membrane  science.  Vol.  9.  Academic  Press,  New
York, 1—70.

Greene-Kelly R. 1953: Irreversible dehydration in montmorillonite.

Clay Mineral. Bull. 2, 52-56.

Hofmann U. & Klemen R. 1950: Verlust der Austauschfähigkeit von

Lithiumionen  an  Bentonit  durch  Erhitzung.  Z.  Anorg.  Allg.
Chem.
 262, 95—99.

Horio M., Suzuki K., Masuda H. & Mori T. 1991: Alkylation of tol-

uene with methanol on alumina-pillared montmorillonite. Sup-
pression  of  deactivation  by  control  of  the  lateral  spacing  of
pillars. Appl. Catal. 72, 109—118.

Jones  J.R.  &  Purnell  J.H.  1993:  Synthesis  and  characterisation  of

alumina  pillared  Texas  montmorillonite  and  determination  of
the effective Keggin ion charge. Catal. Lett. 18, 137—140.

Jones J.R. & Purnell J.H. 1994: The catalytic dehydration of pentan-

1-ol  by  alumina  pillared  Texas  montmorillonites  of  differing
pillar density. Catal. Lett. 28, 283—289.

Karakassides M.A., Petridis D. & Gournis D. 1997: Infrared reflec-

tance  study  of  thermally  treated  Li-  and  Cs-montmorillonites.
Clays and Clay Miner. 45, 649—658.

Komadel P., Bujdák J., Madejová J., Šucha V & Elsass F. 1996: Ef-

fect  of  non-swelling  layers  on  the  dissolution  of  reduced-
charge  montmorillonite  in  hydrochloric  acid.  Clay  Miner.  31,
333—345.

Madejová J., Bujdák J., Gates W.P. & Komadel P. 1996: Preparation

and  infrared  characterization  of  reduced-charge  montmorillo-
nite with various Li contents. Clay Miner. 31, 233—241.

Mikhail R.S. & Brunauer S. 1975: Some remarks on pore structure

analysis. J. Coll. Interface Sci. 52, 626—627.

Mikhail R.S., Brunauer S. & Bodor E.E. 1968: Capillary condensa-

tion  and  pore  structure  analysis.  J.  Colloid  Interface  Sci.  26,
45—60.

Purnell  J.H.  1992:  Some  observations  on  the  synthesis  and  charac-

terisation  of  pillared  layered  materials  of  varied  pillar  density.
Catal. Lett. 14, 11—13.

Purnell J.H., Williams J. & Yun L. 1991: Charge reduction and re-

generation  in  K

+

,  Na

+

,  Mg

2+

,  Ni

2+

  and  Co

2+

-exchanged  Wyo-

ming Bentonite. Catal. Lett. 10, 63—70.

Purnell J.H. & Yun L. 1993: Ionic migration and charge reduction in

Ni

2+

-, Co

2+

- and Zn

2+

-exchanged Texas montmorillonite. Catal.

Lett. 18, 235—241.

Sing  K.S.,  Everett  D.H.,  Haul  R.A.W.,  Moscou  L.,  Pierotti  L.A.,

Rouquérol  J.  &  Siemieniewska  T.  1985:  Reporting  physisorp-
tion data for gas/solid systems with special reference to the de-
termination  of  surface  area  and  porosity.  Pure  &  Appl.  Chem.
57, 603—619.

Suzuki K., Horio M., Masuda H. & Mori T. 1991: Preparation and

property  of  zirconia-pillared  montmorillonite  having  different
pillar populations. Bull. Chem. Soc. Jpn. 64, 732—734.

Suzuki  K.,  Horio  M.  &  Mori  T.  1988:  Preparation  of  alumina-pil-

lared montmorillonite with desired pillar population. Mat. Res.
Bull. 
23, 1711—1718.

Sychev M., De Beer V.H.J. & van Santen R.A. 1997: Chromia and

chromium sulfide pillared clays differing in pillar density. Mi-
cropor. Mater
. 8, 255—265.

Sychev M., Shubina T., Rozwadowski M., Sommen A.P.B., De Beer

V.H.J.  &  van  Santen  R.A.  2000:  Characterization  of  the  mi-
croporosity  of  chromia-  and  titania-pillared  montmorillonites
differing in pillar density. I. Adsorption of nitrogen. Micropor.
Mesopor. Mater.
 37, 187—200.

Theng  B.K.G.,  Hayashi  S.,  Soma  M.  &  Seyama  H.  1997:  Nuclear

magnetic  resonance  and  X-ray  photoelectron  spectroscopic  in-
vestigation of lithium migration in montmorillonite.  Clays and
Clay Miner.
 45, 718—723.

Vaughan  D.E.W.  &  Lussier  R.J.  1980:  Preparation  of  molecular

sieves  based  on  pillared  interlayered  clays  (PILC).  In:  Rees
L.V.C.  (Ed.):  Proceedings  of  the  5

th

  International  Conference

on Zeolites. Heyden, London, 94—101.