클레이 미네랄 X선 회절

Clay mineral X-ray diffraction

점토 광물은 가장 다양한 광물들 중 하나이지만 모두 수정이나 2μm 이하의 곡물 크기의 공통성을 가지고 있다. 화학적 클레이는 결정 구조와 화학적 구성으로 정의된다. 때로는 미세한 곡물 퇴적물이 클레이로 잘못 묘사되기도 하는데, 이는 실제로 침전물의 광물학보다는 "클레이 크기 분율"에 대한 설명이다. 결정학적 점토군은 3가지로 되어 있다: 플라티 클라이(혈모세균), 섬유질 점토 광물, 비정질 점토. 필로실리케이트는 가장 풍부한 씨족으로 사면층팔면층의 계층화에 따라 분류된다. 대부분의 클라이의 경우, 팔면층은 3+, 페 또는3+ Mg(OH)를 중심으로 되어 있지만,2 때때로 Zn2+, Li+, Cr3+ 대신할 수 있다. Si4+ 보통 사면층의 중심이지만 Al은3+ 종종 부분적으로 대체하여 전하 불균형을 만든다. 2층 클라이는 사면층과 팔면층(T-O)으로 구성되며, 3층 클라이는 두 개의 사면층(T-O-T)에 의해 샌드위치된 팔면층을 포함한다. 알 for3+ Si의4+ 치환으로 전하 불균형이 발생할 때 층간 양이온이 사면층 사이를 채워서 점토의 전하량 균형을 맞춘다.[1]

X선 회절 및 클레이

Z 치수를 나타내는 빨간색 화살표가 있는 2단 점토, 카올리나이트(T-O) 및 피로필라이트(T-O-T)의 구조. T-O-T 클레이는 추가 사면층에 의해 제공되는 추가 층 때문에 당연히 Z 방향에서 더 크다.

일반적으로 분말 X선 회절(XRD)은 랜덤 방향 미세 결정의 평균으로, 충분한 표본이 존재할 경우 모든 결정 방향을 동일하게 나타내야 한다. X선은 천천히 회전하면서 샘플을 향하며, 다른 각도에서 수집된 X선의 강도를 보여주는 회절 패턴을 생성한다. 랜덤 방향의 XRD 샘플은 점토 광물에는 유용하지 않다. 왜냐하면 클레이는 일반적으로 X와 Y 치수가 유사하기 때문이다. Z 치수는 점토에 따라 다르며, Z 치수는 사면체-옥면체(T-O) 또는 사면체-옥면체(T-O-T) 층의 높이를 나타내기 때문에 가장 진단적이다. Z 치수는 사면층과 팔면층 모두에서 중심 양이온의 대체로 인해 증가하거나 감소할 수 있다. T-O-T 클래스의 중층 내에 충전 밸런싱 계통의 존재와 크기는 Z 치수에도 영향을 미칠 것이다. 이 때문에 점토 광물은 일반적으로 기초(00l)반사를 증가시키는 방향으로 샘플을 준비하여 식별된다.[2] Bragg의 법칙을 이용하여 D 위치를 계산하지만 점토 광물 분석이 1차원이기 때문에 n을 대체할 수 있어 등식 l λ = 2d sin sin이 된다. 클라이의 X선 회절을 측정할 때 d는 일정하며 λ은 X선원에서 알려진 파장이기 때문에 00l 피크에서 다른 클라이까지의 거리가 동일하다.[2]

XRD를 이용한 Clay의 식별

기저 반사는 규산염 층의 두께를 나타내는 기저 층의 d스페이스를 제공하며 단위 셀은 종종 여러 층을 포함한다.[1] 점토 광물 봉우리들은 일반적으로 봉우리 중간 정도의 폭(즉, 절반의 최대폭, FWHM)으로 구별할 수 있다. 잘 정의된 결정 광물들은 뾰족한 봉우리들을 가지고 있는 반면 결정체에서 비결정체까지 이르는 클래이는 양쪽에 눈에 띄는 폭의 넓은 봉우리들을 생산한다. 이 넓은 봉우리들은 어떤 봉우리들이 클라이에 의해 기인하는지를 쉽게 가려낼 수 있게 한다. 이러한 피크는 식별이 용이하도록 알려진 회절 패턴과 비교할 수 있지만, 일부 피크가 다른 피크보다 넓다면 여러 개의 클라이가 존재할 가능성이 높다.[2] 클레이 광물학회는 미지의 클라이와 비교하기 위한 목적으로 콜렉션 클라이스를 유지하고 있다. 클레이 광물학회에서 구할 수 있는 대부분의 클레이는 자연적으로 형성되기 때문에 원하는 클레이 이외의 미네랄을 함유할 수 있다.[3] 이론적 방법을 사용하여 계산된 회절 패턴은 일반적으로 실험 회절 패턴과 일치하지 않기 때문에 알려진 표본의 회절 패턴을 사용하여 점토를 식별하는 데 도움을 주는 것이 계산보다 바람직하다. 일부 미네랄은 배경 정보나 사전 분석을 통해 식별에서 제거할 수 있다.[1]

잘 결정되고 순수한 샘플은 X선 회절에는 이상적이지만 점토의 경우는 드물다.[4] 점토 미네랄은 거의 항상 극소량의 비클레이 미네랄과 혼합되어 강렬한 피크를 생성할 수 있다. 심지어 표본이 거의 없을 때 조차도 점토가 아니다. 추가 미네랄이 존재하는 것으로 알려진 경우, 클레이와 비클레이를 분리하려고 시도해야 하며 그렇지 않은 경우 추가 피크가 예상되어야 한다. 자연적으로 발생하는 클레이와 관련된 몇 가지 일반적인 광물들은; 석영, 장석, 제올라이트, 탄산염 유기 물질이 가끔 존재한다.[2] 클레이의 합성은 이러한 관련 물질의 존재를 줄일 수 있지만 석영이나 다른 관련 물질들이 여전히 일반적으로 합성 클레이와 함께 생산되기 때문에 순수한 샘플을 보장하지는 않는다.

점토 광물 협회로부터 구입한 논트로나이트 표준의 X선 회절 패턴. 붉은 상자는 비트로나이트에 기인하는 넓은 봉우리들을 나타낸다. 파란색 상자는 표준에 존재하는 석영에 기인하는 뾰족한 봉우리를 나타낸다.

레이어드 클레이 미네랄 혼용

혼합 레이어링, 층간 레이어링, 층간 스트레이팅은 모두 층간 레이어링과 함께 둘 이상의 유형의 클레이로 형성되는 점토 광물을 일컫는 용어다. 혼합 레이어링은 물리적으로 혼합된 클라이를 의미하지 않는다. 층을 혼합하면 해석이 어려워지기 때문에 다중 분석이 필요하다. 세 개 이상의 구성요소를 포함하는 다중 요소 구성요소에 가장 많이 사용되는 두 개의 구성요소 구성요소는 매우 드물다. 전체 회절 패턴은 식별에 기여하며 피크는 개별적으로 고려하기 보다는 전체적으로 고려되어야 한다.[2]

두 개의 동일한 성분(각 점토의 50%)을 가진 혼합 레이어 클라이가 가장 쉽게 식별할 수 있다. 이러한 클레이는 두 구성 요소의 001 간격 합계와 동일한 001 간격을 가진 비혼합 점토로 간주된다. 일반적으로 발생하는 50/50 혼성층 클라이에는 도지이트, 서펜타인/염소산염과 같은 독특한 이름이 붙기도 한다. 불규칙한 구성요소를 임의로 쌓는 혼합된 클레이는 비합리적인 패턴으로 알려진 주기적인 00l 회절 패턴을 생성한다. 변동 계수(CV)는 다양한 반사로 계산된 d(001) 평균의 표준 편차 백분율이다. CV가 0.75% 미만일 경우 광물에는 고유한 이름이 부여된다. CV가 0.75%보다 크면 혼합 레이어 명명법을 사용한다.[2]

클레이미네랄 X선 회절 준비

00l 피크의 간섭을 줄이기 위해 클라이를 비클레이 광물로부터 분리해야 한다. 비클레이 광물은 보통 충분한 그물망에서 샘플을 에 거름으로써 분리될 수 있다. 비클레이 광물은 점토 크기로 줄어들어 표본과 분리할 수 없게 되므로 표본은 가볍게 으스러지되 분쇄해서는 안 된다. 가볍게 으깨면 부드러운 클레이가 분해되는 동시에 더 단단한 비클레이를 그대로 유지하여 쉽게 탈거할 수 있다.[2]

표본은 X선 회절을 위해 장착하기 전에 가능한 한 균질해야 하며 길고 평평하며 두꺼운 표본이 이상적이어야 한다. 일반적으로 4가지 방법이 샘플 작성에 사용되며 사용의 난이도 및 적절성이 다양하다.

글라스 슬라이드 방식

일반적으로 사용되는 네 가지 방법 중 가장 쉽고 빠를 뿐 아니라 가장 정확하지 않다. 유리 현미경 미끄럼틀은 샘플이 담긴 서스펜션을 물에 덮어 90°C의 오븐에 넣고 마르게 놔둔다. 일부 표본의 경우, 이 정도로 높은 온도에서 건조하면 클라이가 손상될 수 있다. 이 경우 상온에서 건조하는 것이 선택사항이지만 시간이 더 소요될 것이다. 방향은 보통 공정하고 입자들은 가장 좋은 입자들이 상단을 향해 분리된다. 이 방법은 중간 및 높은 각도에서 부정확한 회절 강도를 제공하는 박막을 생성한다.[2]

스마이어 메서드

이것은 대량 샘플 성분을 잘 식별하는 빠른 방법이다. 샘플은 분말이 유리 미끄럼틀에 솔질될 때까지 박격포와 페슬로 으스러진다. 그런 다음 이 분말은 몇 방울의 분산 용액과 혼합된다. 보통 에탄올은 있지만 다른 용액은 사용할 수 있다. 그리고 슬라이드 위에 고르게 펴 바른다. 크거나 작은 곡물 크기 분율 모두 이 방법을 사용할 수 있다.[2]

필터 막 박리 기법

이 기법은 정착 속도를 극복하기 위해 빠른 여과나 빠른 교반으로 크기 분리를 방지한다. 샘플을 진공 필터 장치에 붓고 빠르게 여과하지만 일부 액체는 남아 있어 샘플을 채취해도 공기가 빨려들지 않고 남은 액체는 액체로 분해된다. 그런 다음 습기 있는 샘플을 유리 슬라이드에 뒤집어 여과지를 제거한다. 빠른 필터링을 통해 대표적인 입자 크기를 필터 용지에 수집할 수 있으며, 필터 용지가 뒤집혀 슬라이드에 장착될 때 노출된다.[3][5]

원심분리 다공판

가장 일반적인 네 가지 방법 중 최고의 회절 패턴을 생성하지만 가장 많은 기술을 필요로 하며 가장 많은 시간이 소요된다. 완료 시 샘플은 두꺼운 골재와 선호하는 방향을 갖는다. 다공성 세라믹 플레이트를 고정하도록 설계된 특수 장치는 원심분리 용기에 넣어 매달린 샘플로 채워진다. 원심분리기는 다공성 판을 통해 액체를 강제로 통과시켜 시료를 남겨 두고 100 °C 이하로 건조시킨다. 이 방법의 장점은 샘플이 건조된 후 플레이트를 통해 염화물 용액을 통과시켜 교환 가능한 양이온을 제거할 수 있다는 것이다. 단위를 교환하는 것은 층간 단위가 가변적인 표준에 대한 피크를 설정할 때 유용할 수 있다. 예를 들어 논트로나이트에는 칼슘과 나트륨을 모두 함유할 수 있는 중간층이 있다. 알 수 없는 표본이 이러한 양이온 중 하나만 포함된 것으로 의심될 경우 원하지 않는 양이온을 교환하여 보다 정확한 기준을 마련할 수 있었다.[2][6]

메모들

  1. ^ a b c Faure, Gunter (1998). Principles and applications of geochemistry : a comprehensive textbook for geology students (2nd ed.). Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall. ISBN 978-0023364501.
  2. ^ a b c d e f g h i j Reynolds, Duane M. Moore ; Robert C. (1997). X-ray diffraction and the identification and analysis of clay minerals (2. ed.). Oxford [u.a.]: Oxford Univ. Press. ISBN 9780195087130.
  3. ^ a b Chipera, S.J.; Bish, D.L. (2001). "Baseline Studies of the Clay Minerals Society Source Clays: Powder X-Rays Diffraction Analysis". Clays and Clay Minerals. 49 (5): 389–409. Bibcode:2001CCM....49..398C. doi:10.1346/CCMN.2001.0490507.
  4. ^ Brindley, G (1952). "Identification of Clay Minerals by X-Ray Diffraction Analysis". Clays and Clay Minerals. 201 (1): 119. Bibcode:1952CCM.....1..119B. doi:10.1346/ccmn.1952.0010116.
  5. ^ Drever, J.I. (1973). "The preparation of oriented clay mineral specimens for X-ray diffraction analysis by a filter-membrane peel technique" (PDF). American Mineralogist. 58: 741–751.
  6. ^ Kinter, E.B.; Diamond, S. (1956). "A new method for preparation and treatment of oriented-aggregates of soil clays for x-ray diffraction analysis". Soil Science. 82 (2): 111–120. doi:10.1097/00010694-195602000-00003.