A study was carried out to investigate the genesis and mineralogical characteristics of clay minerals in three different types of soil derived from the gray shale distributed in Kyeongbuk Province in Korea. The soils have been developed from parent materials of residuum (Daegu series, Sirye series), colluvium(Banho series), and alluvium (Bigog series) of the same origin of parent rock with a topographical sequence. The investigation mainly focussed on the mineralogical aspects of primary minerals of asnd and silt fractions, identification and quantification of clay minerals, and characterization of hydroxy-interlayered mineral (HIM) along with their chemical composition. The identification was done through analyses of chemical, X-ray diffraction, and thermal methods. The major clay minerals in the soils are illite, vermiculite, kaolin and HIM, while chlorite and mixed layer minerals such as illite/chlorite and illite/vermiculite were coexisted as a subsidiary minerals. The distribution of clay minerals, however, varies according to the location and types of parent material. In the soils derived from the parent material of residuum, the upper soil (Daegu series) shows higher of 2:1 type minerals such as illite, vermiculite, and HIM than 1:1 type mineral rich in the lower soil(Sirye series). Soils developed from the parent material of colluvium and alluvium were high in illlte and mixed layer minerals, but low in HIM compared with the residual soils. The predominant weathering sequence of the clay minerals in each soil could be inferred as follows according to the minerlogical distribution and quantification of clay minerals : Daegu series, illite ${\rightarrow}$ vermiculite ${\rightarrow}$ HIM ; Sirye series, vermiculite ${\rightarrow}$ kaolin minerals ; Banho sereies and Bigog series, illite ${\rightarrow}$ illlte/vermiculite and/or illite/chlorlte mixed layer ${\rightarrow}$ vermiculite.
Clay minerals are a major player to determine geochemical cycles of trace metals and carbon in the critical zone which covers the atmosphere down to groundwater aquifers. Molecular dynamics (MD) simulations can examine the Earth materials at an atomic level and, therefore, provide detailed fundamental-level insights related to physicochemical properties of clay minerals. In the current study, we have applied classical MD simulations with clayFF force field to dioctahedral clay minerals (i.e., gibbsite, kaolinite, and pyrophyllite) to analyze and compare structural parameters (lattice parameter, atomic pair distance) with experiments. We further calculated vibrational power spectra for the hydroxyls of the minerals by using the MD simulations results. The MD simulations predicted lattice parameters and interatomic distances respectively deviated less than 0.1~3.7% and 5% from the experimental results. The stretching vibrational wavenumber of the hydroxyl groups were calculated $200-300cm^{-1}$ higher than experiment. However, the trends in the frequencies among different surface hydroxyl groups of each mineral was consistent with experimental results. The angle formed by the surface hydroxyl group with the (001) plane and hydrogen bond distances of the surface hydroxyls were consistent with experimental result trends. The inner hydroxyls, however, showed results somewhat deviated from reported data in the literature. These results indicate that molecular dynamics simulations with clayFF can be a useful method in elucidating the roles of surface hydroxyl groups in the adsorption of metal ions to clay minerals.
The absolute clay mineral compositions and regional distribution of the 131 bulk marine surface sediments around the Jeju Island was compared to their relative compositions and distribution using quantitative X-ray diffraction analysis. Average absolute clay mineral composition is illite 15.3% (0.5~40.5%), chlorite 2.6% (0~7.9%), and kaolinite 1% (0~5.6%). Total contents of the clay minerals are very high in the South Sea of Korea, northwestern part and southern offshore of Jeju Island. The average relative composition is illite 70.9% (16.7~89%), chlorite 21.5% (8.4~68.5%), and kaolinite 7.6% (0~29.3%). Relative illite contents are high in the northwestern and southeastern part of study area, and southern part of Jeju Island. Chlorite contents are high in the eastern part of study area and western part of Jeju Island. Kaolinite contents are high in the western and southern part of Jeju Island, and southern offshore of Jeju Isand. Absolute Distribution patterns are very similar to those of fine-grained (from clay to silt) sediment, whereas relative distribution patterns do not show any relationship with those of fine-grained sediment.
red 1 and acid blue 92, anionic dyes, were removed from synthetic wastewater by the surfactant-modified clay minerals. Two different clays, such as Korean clay(M78) and Japanese clay(KJ) were treated with three different sulfactants, CTMA, DSDMA and TMSA. The surfactant-modified clay minerals such as M-1(CTMA), M-3(TMSA), KJ-1(CTMA) and KJ-3(TMSA), showed high removal efficiencies with dyes, while M-2(DSDMA) and KJ-2(DSDMA) could adsorb both dyes with relatively low efficiencies. Furthermore, almost 100% absorption of both dyes onto M-1(CTMA) and KJ-3(TMSA) revealed the possibility that these materials can be used for the removal of hazardous organic dyes from wastewater.
Asian dust (Hwangsa) interacts with light, atmospheric gas, aerosol, and marine ecosystem, affecting Earth climate. Mineralogical properties are essential to understand the interaction between the dust and environments. In this study, we examined the mineralogical properties of Asian dust collected at Deokjeok Island, Incheon, Korea in February 22, 2015. X-ray diffraction (XRD) analyses showed that phyllosilicate minerals (62 wt%) dominate the Asian dust. Illite-smectite series clay minerals (55%) were common with minor chlorite (5%) and kaolinite (2%). Non-phyllosilicate minerals were quartz (18%), plagioclase (10%), K-feldspar (4%), calcite (4%), and gypsum (1%). Similar results were obtained by mineral quantification using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometry (EDS). Transmission electron microscopy combined with EDS confirmed illite-smectite series clay minerals as the dominant phyllosilicate type. Morphological analyses using SEM showed clay agglomerates, clay-coated quartz, feldspars, and micas. Gypsum grains were common on the particle surface, while calcite nanofibers, previously reported as common on the surface, were rare, indicating the reaction of calcite and acidic atmospheric pollutants to form gypsum. The analytical result of 2015 Asian dust would contribute to the establishment of mineralogical base for the modeling of the interaction between Asian dust and environments.
This experiment was conducted to investigate the direction or orientation of clay particle movement in argillic horizons (Bt) for clarifying the soil classification of soils. Soil samples were collected from 22 soil series containing Bt horizons. Physical and chemical characteristics and mineral and chemical compositions of clay in the soils were analyzed. Micoromorphological characteristics of the Bt horizons were also investigated with thin sections of the natural undisturbed and oriented soil samples. Average clay content in the Bt horizons was 28% and 1.33 times higher comparing to that in the surface layer. Soil pH was higher, but cation exchange capacity (CEC) and organic matter content were lower in Bt horizon than those in the surface layer. There was an evidence of clay accumulation in Bt horizons of all soil series examined except Bangog series. Although there was an increase of clay content in the horizons in Bangog series, the clay was not originated from illuviation process. The translocation of clay was in the order of an 2:1 expandable clay minerals > 2:1 non-expandable clay minerals > 1:1 clay minerals. The illuvial substances in argillic horizon were composed with clay, amorphous iron and opaque mineral. The micoromorphological features of Bt horizon were void coating, channel infilling and grain coating. There was an apparent boundary between clay coating and the groundmass in residuum and colluvium, but Bt horizon of alluvium was composed of a skew plane amputated by the physical operation.
A literature review is made on the physical and chemical characteristics of clay minerals in acidic solutions from the mineralogical and hydrometallurgical viewpoints. Some of the important characteristics of clays are their ability to cation exchange, swelling, and incongruent dissolution in acidic solutions. Various clay minerals can take up metallic ions from solution via cation exchange mechanism. Generally, cation exchange capacity increases in the following order : kaolinite, halloysite, illite, vermiculite, and montmorillonite. In acidic solutions, the cation uptake such as copper by clay minerals is strongly inhibited by hydrogen and aluminum ions and thus is not economically significant factor for recovery of metals such as uranium and copper. In acidic solutions, the cation uptake is substial. Swelling is minimal at lower pH, possibly due to lattice collapse. Swelling may be controllable with montmorillonite type clays by exchanging interlayer sodium with lithium and/or hydroxylated aluminum species. The effect of add on clay minerals are : 1. Division of aggregates into smaller plates with increase in surface area and porosity. 2. Clay-acid reactions occur in the following order: (i) $H^+$ replacement of interlayer cations, (ii) removal of octahedral cations, such as Al, Fe, and Mg, and (iii) removal of tetrahedral Al ions. Acid attack initiates, around the edges of the clay particles and continued inward, leaving hydrated silica gel residue around the edges. 3. Reaction rates of (ii) and (iii) are pseudo-1st order and proportional to acid concentration. Rate doubles for every temperature increment of $10^{\circ}C$. Implications in in-situ leaching of copper or uranium with acid are : 1. Over the life span of the operation for a year or more, clays attacked by acid will leave silica gel. If such gel covers the surface of valuable mineral surfaces being leached, recovery could be substantially delayed. 2. For a copper deposit containing 0.5% each of clay minerals and recoverable copper, the added cost due to clay-acid reaction is about 1.5c/lb of copper (or 0.93 lbs of $H_2SO_4/1b$ of copper). This acid consumption by clay may be a factor for economic evaluation of in-situ leaching of an oxide copper deposit.
The objective of this research was to find out the physical properties, such as dispersion and coagulation, of soil minerals depending on the types and concentrations of the cations in aqueous solution. Hwangto samples were obtained from 90 to 130 cm from surface at Jangdong-ri, Donggang-Myon, Naju, Chonnam Province. The clay fraction (< $2\;{\mu}m$) was separated by sedimentation method from the bulk soils. Both Hwangto and clay fractions, and the same samples after removal of amorphous and crystalline iron oxides were used in this experiment. The effect of 4 cations ($Na^+$, $K^+$, $Mg^{2+}$, $Ca^{2+}$) and their concentrations on settling speed and basal spacing of the minerals were observed to examine the physical properties of the soil and clay minerals. Hwangto mainly consisted of quartz, and the clay fractions consisted of kaolinite, illite, and vermiculite. The bulk soils contained 16.3 mg/kg of amorphous iron oxides and 436 mg/kg of crystalline iron oxides. Clay fractions were dispersed better than bulk soils due to their smaller particle size than that of the bulk samples in the aqueous solution. The bulk and clay samples were dispersed better when iron oxides were removed because of coating of minerals by the iron oxides. Clay minerals were settled faster as the charge and the concentration of cations added increased. The d-spacing of kaolinite and illite did not change when 4 types of cations were added. The d-spacing of vermiculite showed $14.04\;{\AA}$ when divalent cations were added while that of vermiculite showed $13.9\;{\AA}$ when monovalent cations were added. It may be attributed to the hydration radii of cations. This study indicated that both coating of iron oxides on minerals and types and concentrations of cations affect dispersion of minerals in solution and d-spacing of expanding clay minerals such as vermiculite.
We studied the mineral composition and mineral distribution pattern of 131 surface sediments collected at the cruise in 2000 and 2007 from Southeastern Yellow Sea, South Sea of Korea and Southern part of Jeju Island. Mineral compositions of surface sediments were determined using the quantitative X-ray diffraction analysis. Surface sediments were composed of rock forming minerals (quartz 37.4%, plagioclase 11.7%, alkali feldspar 5.5%, hornblende 3.1%), clay minerals (illite 19.2%, chlorite 4.7%, kaolinite 1.8%) and carbonate minerals (calcite 10.7%, aragonite 3.4%). Distribution of clay minerals is very similar with fine-grained sediments, and especially same as the distribution of HSMD (Hucksan Mudbelt Deposit), SSKMD (South Sea of Korea Mudbelt Deposit) and JJMD (Jeju Mudbelt Deposit). The coarse sediment seemed to be relic sediment during the last glacial maximum and mainly consisted of rock forming minerals. Whereas the fine sediments mainly composed of clay minerals. Based on the clay mineral composition, main ocean current and geographical factor, HSMD and SSKMD might have derived from the rivers around the Korean Peninsula. However, JJMD is complex mudbelt deposit, which formed by Korean rivers and oceanic sediments.
2:1 clay minerals such as smectite incorporating ammonium were extracted to investigate the ammonium behavior and nitrogen isotope characteristics for two different sediment cores which were collected from shimmering sites on seafloor of the Wakamiko crater, southwestern Japan. Inorganic nitrogen contents in clay fraction were estimated by calibration curve based on consistently decreasing carbon and nitrogen ratio during the treatment to decompose organic materials, after removing inorganic carbon. The results show that the proportions of inorganic nitrogen for total nitrogen in clay fraction of SWS site(Core#1094MR: av. 18.2%) are higher than those in SES site(Core#1093MG: av. 11.5%). Relatively good crystallinity of the former suggests that exchangeable ammonium was transformed to non-exchangeable ammonium during more evolving diagenetic process. Nitrogen isotope variance of clay fraction(SES site: Core#1093MG: -4.4 ~ +0.2 ‰, av. -2.4 ‰; SWS site: Core#1094MR: -0.7 ~ +3.0 ‰, av. +1.5 ‰) during sequential decomposition of exchangeable ammonium suggests that heat flow derived from deep magma led to nitrogen isotope fractionation between dissolved ammonium and ammonia in the fluids involved in the formation of 2:1 clay mineral incorporating ammonium with local temperature variation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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