Spectroscopic Determination of Optimal Hydration Time of Zircon Surface

Eduardo Ordóñez–Regil^1*, Genoveva García–Rosales^{1, 2} and Nidia García–González³

¹ Departamento de Química., Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. Carretera México–Toluca S/N, km. 36.5. La Marquesa, Ocoyoacac, México. ^*Responsible author: eduardo.ordonez@inin.gob.mx.

² División de Estudios de Post–Grado, Instituto Tecnológico de Toluca. Ex Rancho la Virgen s/n, Metepec, Estado de México, México.

³ Facultad de Química, Universidad Autónoma del Estado de México. Av. C. Colón y Av. Tollocan, Toluca, Estado de México, México.

Abstract

When a mineral surface is immersed in an aqueous solution, it develops an electric charge produced by the amphoteric dissociation of hydroxyl groups created by the hydration of the solid surface. This is one influential surface property. The complete hydration process takes a time which is specific for each mineral species. The knowledge of the aqueous solution contact time for complete surface hydration is mandatory for further surface phenomena studies. This study deals with the optimal hydration time of the raw zircon (ZrSiO₄) surface comparing the classical potentiometric titrations with a fluorescence spectroscopy technique. The latter is easy and reliable as it demands only one sample batch to determine the optimal time to ensure a total hydration of the zircon surface. The analytical results of neutron activation analysis (NAA) showed the presence of trace quantities of Dy³⁺, Eu³⁺ and Er³ in the bulk of zircon. The Dy³⁺ is structured in the zircon crystalline lattice and undergoes the same chemical reactions as zircon. Furthermore, the Dy³⁺ has a good fluorescent response whose intensity is enhanced by hydration molecules. The results show that, according to the potentiometric analysis, the hydration process for each batch (at least 8 sample batches) takes around 2 h, while the spectrometric method indicates only 5 min from only one batch. Both methods showed that the zircon surface have a 16h optimal hydration time.

Keywords: Hydration, Dysprosium, Zircon, Fluorescence.

Resumen

Los minerales que son inmersos en solución acuosa, desarrollan una carga eléctrica, producida por la aparición de la disociación anfotérica de los grupos hidroxilo formados en superficie. Esta propiedad es específica para cada mineral y la determinación del tiempo de hidratación es fundamental para realizar posteriores estudios de sorción en la interfase sólido/líquido. En este estudio se determinó el tiempo óptimo de hidratación del circón (ZrSiO₄), comparando la técnica clásica por titulación potenciométrica con la técnica de fluorescencia a diferentes tiempos. La técnica de fluorescencia fue desarrollada gracias a las impurezas de tierras raras que son contenidas en cantidades traza en los minerales de circón. El análisis por activación neutrónica mostró que las impurezas contenidas en este lote de circón eran principalmente el Dy³⁺, Eu³⁺ y el Er³⁺. El Dy³⁺ tiene una buena respuesta fluorescente que se incrementa con las moléculas de agua a medida que este elemento se hidrata. Los resultados mostraron que el método potenciométrico es largo y tedioso, pues se requiere un lote por cada tiempo en estudio y toma alrededor de 2 h el análisis, en tanto que el método espectroscópico requiere de una sola muestra que se analiza puntualmente pasado el tiempo requerido, esto sólo toma 5 min, después del cual se continua con el proceso de hidratación. Ámbos métodos mostraron que la superficie del circón requiere de 16 h para alcanzar el tiempo óptimo de hidratación.

Palabras clave: Hidratación, disprosio, circón, fluorescencia.

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