Surface energy of clay-synthetic humic acid complexes from contact angle measurement

Abstract

The surface free energy components of clay-organic complexes were determined to assess to what extent an organic adsorbate modified the surface properties of the mineral, insofar as the stability of soil aggregates is concerned. Adsorption isotherms for two synthetic, humic acid-like polymers were determined on a Ca-montmorillonite. From contact-angle measurements performed on dry surfaces, the surface free energy properties of the clay-organic complexes were determined using the two-liquid-phases method (water and hydrocarbons). This method allows both the dispersive and nondispersive components of the solid surface free energy, 3,Ds and 7 v, to be determined. The results show that a very small amount of polymer (1% by weight) adsorbed on the external surfaces of the montmorillonite decreased markedly the surface free energy components of the clay: 3,Ds decreased from 75 to 28 mJ /m ~ for polycondensate catechol (PC) and from 75 to 30 mJ /m 2 for polycondensate catechol triglycine (PCT), whereas 3,vs ranged from 35 to 16 rrd/m 2 (PC) and from 35 to 17 mJ/m 2 (PCT). Although their chemical compositions were different, both polymers similarly modified ~sD and -iPs . Increasing the amount of polymer adsorbed (from 1% to 3.5% by weight) affected mostly 3,vs , which became as low as 5 mJ/m:; meanwhile, 3'~ decreased from 30 to 23 mJ/m 2. Possibly, the molecular orientation of the adsorbate changed in the process of dehydration. Following adsorption of synthetic humic acid-like polymers, dry Ca-montmorillonite complexes displayed 3's values < 50 mJ/m 2, which were consistent with the solid-water contact angles measured in air.Les composantes de l'énergie libre de surface sont mesurées pour des complexes organo-minéraux. Cette étude est menée dans le but de vérifier de quelle manière un revêtement organique modifie les propriétés de surface du minéral et peut jouer sur la stabilité structurale. On a déterminé les isothermes d'adsorption sur une montmorillonite calcique pour deux polymères synthétiques modules d'acides humiques. L'énergie libre de surface des complexes organo-minéraux est calculée à partir de la mesure des angles de contact obtenus sur des surfaces déshydratées avec la méthode à deux phases liquides (eau et hydrocarbures). Cette méthode permet de déterminer à la fois "r~ et ~,~, qui sont respectivement la composante polaire et la composante dispersive de l'énergie de surface 3's. Les r6sultats montrent qu'une quantité très faible de polymère (1% en poids) adsorbé sur les surfaces externes de la montmorillonite diminue de manière importante les composantes de l'énergie libre de surface du minéral: 3,Ds diminue de 75 ~t 28 mJ/m 2 pour le polycondensat catéchol (PC) et de 75 h 30 mJ/m 2 pour le polycondensat catéchol triglycine (PCT), alors que 3,Ps varie de 35 ~ 16 mJ /m 2 (PC) et de 35 ~t 17 mJ /m 2 (PCT). Bien que leurs compositions chimiques soient différentes, les deux polymères modifient pareillement ~sP e t "y~'. Une augmentation sensible des quantités adsorbées (de 1% ~t 3,5% en poids) affecte principalement 3,vs qui diminue jusqu'à une valeur de 5 mJ/m 2, alors que "y~ passe de 30 h 23 mJ/m 2. Ces modifications importantes sont attribuées à un changement d'orientation des polymères adsorbés, susceptible de s'être produit au cours de la déshydratation. Après adsorption de polymères synthétiques modèles d'acides humiques, la montmorillonite calcique à l'état sec présente des valeurs de "Vs inférieures ~ 50 mJ/m 2 qui sont en accord avec les angles de contact solide-eau-vapeur qui sont mesurés