Abstract Changes in the structure of phyllosilicate microparticles of submicron fractions of polymineral clay with an average size of 290 nm, as well as changes in the positions of impurity ions of transition metals in the crystal lattice, were studied by X-ray diffraction analysis, Fourier transform infrared spectroscopy, and high-resolution electron paramagnetic resonance spectroscopy. The main composition of microparticles included clinochlore, montmorillonite, calcite, and quartz. Structural transformations were stimulated by heating the samples to 1200 K at a rate of 10 K/min. A decrease in the number of crystal structures of microparticles was recorded due to the amorphization of montmorillonite, the decomposition of calcite, and the formation of sillimanite. Structural rearrangements of crystal cells containing impurity paramagnetic ions Fe3+ and Mn2+ in submicron particles of clinochlore and montmorillonite, accompanied by displacements and changes in the chemical bonds of these ions, were recorded by the ion-electron paramagnetic resonance method. It is shown that when microparticles were heated to 1200 K, the impurity paramagnetic ions of transition metals did not go beyond their crystal cells.

Resumo A influência da radiação micro-ondas nas alterações estruturais das partículas de montmorilonita foi estudada em uma amostra de argila montmorilonítica. Processos de longo alcance em múltiplas escalas foram induzidos nos aluminossilicatos naturais por radiação de micro-ondas de baixa e média potência (2,45 Hz, 750 W, 10 min). Amostras em pó tratadas com radiação micro-ondas demonstraram redução da intensidade relativa dos picos de difração e redução do espaçamento interplanar da rede de montmorilonita (d001* de 1,220 a 0,945 nm, d001 de 0,642 a 0,627 nm, d002 de 0,318 a 0,314 nm e d003 de 0,214 a 0,213 nm). O efeito foi devido à extração de moléculas de água contidas em empacotamentos de três camadas. A extração de água ocorreu em etapas com o aumento da temperatura, indicando processos de longo alcance com efeito retardado. O aquecimento das amostras em pó até 200 °C resultou na destruição de metade do volume da rede da montmorilonita; a 400 °C cerca de 70% da rede foi destruída. Fragmentos de células da rede formaram aglomerados por meio de um mecanismo de duas etapas. O grau de aglomeração foi proporcional à amorficidade da amostra de montmorilonita.

Abstract Influence of microwave radiation on structure changes of montmorillonite particles was studied on a montmorillonite clay sample. Multi-scale long-range processes were induced in the nature-occurring aluminosilicates by microwave radiation of low and medium power (2.45 Hz, 750 W, 10 min). Powdered samples treated with microwave radiation demonstrated reduction of the relative intensity of diffraction peaks and reduction of interplanar spacing of montmorillonite lattice (d001 * from 1.220 to 0.945 nm, d001 from 0.642 to 0.627 nm, d002 from 0.318 to 0.314 nm and d003 from 0.214 to 0.213 nm). The effect was due to extraction of water molecules contained in three-layer packages. Water extraction occurred stepwise with the temperature rise which pointed on long-range processes with a delayed effect. Heating of powdered samples up to 200 °С resulted in the destruction of half of the montmorillonite lattice volume; at 400 °С about 70% of the lattice was destroyed. Fragments of lattice cells formed agglomerates via two-step mechanism. The degree of agglomeration was proportional to the montmorillonite sample amorphicity.

Resumo Os resultados do estudo do efeito de emissão de micro-ondas (potência 700 W, frequência de 2,45 GHz) nas mudanças estruturais em partículas de argila natural com diâmetros efetivos D£630 μm são apresentados. A influência do tempo de irradiação (10 e 20 min) e o ambiente na câmara de micro-ondas (ar atmosférico e ar saturado com vapor de água) nas mudanças estruturais que ocorrem nas partículas foi rastreada. Durante os primeiros 10 min, a água capilar foi completamente removida e a aglomeração ocorreu pela junção de partículas dispersas individuais (modelo de agregação limitada por difusão). No segundo estágio (10-20 min), os aglomerados já formados (modelo de agregação cluster-cluster) cresceram. Um complexo de métodos óptico-físicos independentes foi utilizado para analisar mudanças estruturais fracas, incluindo análise de difração de raios X, colorimetria e análise de wavelet. Essa abordagem aumentou o conteúdo da informação e a confiabilidade das medidas, caracterizando quantitativamente as respostas estruturais nos sistemas dispersos de argila. No ar, a remoção de água capilar foi acompanhada por aglomerações de partículas e transformações polimórficas de óxidos: a montmorilonita foi completamente decomposta e as fases amorfas, em particular, СаСО3, cristalizaram. A composição do ambiente na câmara de micro-ondas afetou o tipo de transformação de fase em compostos de ferro: silicato de ferro-alumínio (Fe2Al4Si5O18) foi formada no ar; magnetita Fe.Fe2O4 (Fe3O4), apareceu no meio de vapor de água. Os estudos realizados com o conjunto desenvolvido de métodos experimentais indicaram a possibilidade de regular os processos de formação de estruturas em sistemas dispersos de argila, otimizando os regimes de exposição à radiação de micro-ondas.

Abstract The results of a study of the microwave emission effect (power 700 W, frequency 2.45 GHz) on the structural changes in natural clay particles with effective diameters D≤630 μm are presented. The influence of the irradiation time (10 and 20 min) and the environment in the microwave chamber (atmospheric air and air saturated with water vapor) on the structural changes occurring in the particles were traced. During the first 10 min, capillary water was completely removed and agglomeration was carried out by attaching single dispersed particles (diffusion limited aggregation model). At the second stage (10-20 min), the already formed agglomerates grew (cluster-cluster aggregation model). A complex of independent optical-physical methods was used to analyze weak structural changes, including X-ray diffraction analysis, colorimetry and wavelet analysis. This approach increased the information content and reliability of measurements, quantitatively characterizing the structural responses in disperse clay systems. In the air, the removal of capillary water was accompanied by agglomerations of particles and polymorphic transformations of oxides: montmorillonite was completely decomposed and amorphous phases, in particular CaCO3, crystallized. The composition of the environment in the microwave chamber affected the type of phase transformations in iron compounds: iron-aluminum silicate (Fe2Al4Si5O18) was formed in the air; magnetite Fe.Fe2O4 (Fe3O4) appeared in the water vapor medium. The carried-out studies with the developed set of experimental methods indicated the possibility of regulating the processes of structure formation in dispersed clay systems by optimizing the regimes of exposure to microwave radiation.