Nanoscale Modeling and simulation of the effects of temperature, pressure and pollutants on the hydrated Montmorillonite clay

Les méthodes de Monte Carlo et Dynamique Moléculaire ont été utilisées pour étudier l’argile hydratée de type Wyoming-montmorillonite. Nous avons examiné le comportement du gonflement et du dégonflement de la montmorillonite sous l'effet de la température, de le teneur en eau et de la nature des différents cations. Un phénomène d’hystérésis a été constaté pendant le processus d’hydratation/déshydratation ainsi que durant le processus de chauffage/refroidissement. La quantité de cations et leur capacité d’attraction ont un rôle important dans ce comportement du gonflement et du dégonflement de l’argile. En outre, l’étude de la diffusion de l’eau et des cations dans l’espace interlamellaire de la montmorillonite montre l’effet du degrés d’hydratation et de la nature des cations (en particulier les polluants) sur la diffusion de l’eau, ainsi que l’effet de la température sur la diffusion des particules présentes dans les inter-couches. Le bon accord de nos résultats de simulation concernant l'argile contenant Li+, Na+, K+ et Ca2+ avec les résultats expérimentaux et d’autres travaux théoriques nous a permis d'étendre notre étude à l'argile comportant des ions métalliques lourds, comme Rb+, Cs+, Ni2+, Zn2+ et Pb2+.Enfin l’étude détaillée de l’effet de la pression sur la montmorillonite montre la variation de la rigidité en fonction de la teneur en eau et permet de prédire des transitions de phase structurales inférieures à 1 GPa. Cette étude montre particulièrement que le module de rigidité peut atteindre des valeurs extrêmement élevées à des pressions relativement modestes d’environ 20 GPa. Ce résultat ouvre clairement la voie pour une nouvelle famille de matériaux ultra-incompressible, et éventuellement ultra dures, composés d’argiles. Ce type de matériaux aux propriétés mécaniques spécifiques et de faibles coûts (abondance des argiles), peut être particulièrement attractif pour de nombreuses applications dans divers domaines.Monte Carlo and Molecular Dynamic simulation methods have been performed to study hydrated Wyoming-type montmorillonite, a naturally occurring swelling clay, including different monovalent or divalent counterions. Simulations have been also performed to investigate the swelling and shrinking behaviour of montmorillonite under the influence of water content, temperature and different counterions. We found a general phenomenon of hysteresis during both the hydrate/dehydrate and the warming/cooling processes. The quantities of counterions together with their solvation characteristics and their attraction capacities have an important influence on the swelling and shrinking behaviours of this clay. Moreover, investigations on the diffusion behaviours of water and counterions in the interlayer space of montmorillonite show the effect of hydrated degree and different existing cations especially the pollutants on the diffusion of water, as well as the effect of temperature on the diffusion of interlayer particles. The agreement of our simulation results on the clay containing some common cations such as Li+, Na+, K+ and Ca2+, with available experiment and preceding theoretical works, permitted us to extend our study to the clay with heavy metal ions, such as Rb+, Cs+, Ni2+, Zn2+ and Pb2+, some of which have never been studied.Finally, detailed studies on the shrinking behaviours of hydrated montmorillonite under pressure allowed us to shed light on the rigidity of this clay affected by the hydrated degree, where we found a phase transition phenomenon in hydrated montmorillonite with the phase transition pressure less than 1GPa. According to our calculations the bulk modulus reaches extremely high values at modest pressures of ~20 GPa. It would open a route to a new family of ultra-incompressible materials of clay composition. Such materials, and their superior mechanical properties and possibly low cost, could be practically attractive for a number of uses