微细伊利石颗粒表面水化特性及机理研究

发布时间：2020-06-17 17:52

【摘要】：粘土类矿物是煤泥水中的主要矿物,由于粘土类矿物颗粒表面的强亲水性导致煤泥颗粒表面形成一定厚度的水化膜,煤泥颗粒间存在水化斥力,不利于煤泥水的沉降,同时对煤泥脱水带来严重不利影响。从微观出发,以煤泥水中的主要粘土矿物之一伊利石为研究对象,研究并掌握煤泥水中伊利石颗粒表面水化特性和机理,可以为煤泥水沉降及脱水新技术开发提供理论依据和技术支持,对高泥化煤泥水沉降澄清处理有着十分重要的意义。通过试验和理论计算研究了微细伊利石颗粒对煤泥水沉降的影响及伊利石颗粒表面水化特性规律。发现煤泥水中解理程度高的微细片状伊利石颗粒会恶化煤泥水沉降;伊利石表面的水化膜弱化颗粒间的范德华作用势能,颗粒界面双电层内金属阳离子的水化产生额外的斥力,以及颗粒表面水化膜间的排斥均不利于煤泥水沉降;粒径较小或悬浮液pH较大的伊利石颗粒的水化度较大;由于金属阳离子水化能不同,不同电解质的微细伊利石颗粒表面水化度大小顺序为Al3+Mg2+Ca2+Na+K+,Mg2+、Na+浓度的增加,会增加颗粒表面水化程度。基于密度泛函理论模拟计算研究了伊利石的晶格取代对表面结构性质的影响规律。研究表明伊利石晶胞的硅氧四面体中的晶格取代位置是对位分布时,晶胞的能量最稳定,层间阳离子电势越大,层间距越小;K+在(001)面吸附以静电作用为主,NH4+在(001)面吸附以共价作用为主;不同阳离子在(001)面吸附的吸附能大小顺序为K+Na+NH4+Ca2+Mg2+,晶格取代比例的增加,金属阳离子的吸附能增大;晶格取代使得基面取代附近的氧原子活性增强,同时增加端面取代附近羟基基团的酸碱性。采用DFT模拟计算揭示了水分子在伊利石表面吸附的微观机理。结论为水分子在铵伊利石(001)面吸附的最稳定吸附构型为垂直吸附于有NH4+的硅氧环,水分子的氢原子、氧原子分别与(001)面A1O3的氧原子和NH4+的氢原子形成较强氢键,吸附能为-0.67eV;在钾伊利石(001)面吸附的水分子一方面与表面AlO3的氧原子形成氢键,另一方面受K+的静电作用,最稳定构型的吸附能为-0.55 eV;在(010)面吸附的水分子,由于层间K+的存在,阻碍水分子进入层间,最稳定的吸附构型为平躺吸附在硅羟基和铝羟基基团之间,与表面形成3个氢键,吸附能为-0.91 eV;水分子在表面吸附存在氢键作用和静电作用;水分子在(010)面的吸附强于(001)面,端面的增加,使得水分子在(010)面的吸附位增多,导致颗粒水化膜的强度增大。借助DFT模拟计算揭示了 H3O+和OH-在伊利石表面吸附的微观机理。发现在(001)面硅氧环上方的水分子易获得质子,H30+优先吸附于硅氧环空穴上方;(010)面的≡Al-OH易从H30+获得质子,水分子与H30+存在竞争吸附;OH-在(001)面的吸附为吸热反应,不能自发的在(001)面吸附;OH-在(010)面优先与四面体中的取代原子Al形成配位键,OH-在(010)面吸附使得水分子获电子0.04e,提高了与界面的金属阳离子间的静电作用,有利于阳离子的吸附。通过MD模拟计算揭示了表面荷电及金属阳离子对伊利石水化层的影响规律。结果表明伊利石界面性质受表面荷电影响,随着表面荷电增加,水化层内水分子密度增加,水分子层紧密,Stern层厚度减小,扩散层对K离子的束缚增强,界面水分子的扩散系数减小;在伊利石界面吸附的金属阳离子水化数大于在体相的水化数,界面K+的主要吸附位置位于距离(001)面1.6、2.5 A处,Na+主要吸附位置位于2.0、4.0A处,Ca2+、Mg2+主要吸附位置位于2.0、4.0A处;K+、Na+主要在硅氧环Si4Al206吸附,Ca2+、Mg2+主要在硅氧环Si4Al206和AlO3的空穴处吸附;K+、Na+、Ca2+、Mg2+在(001)面的吸附增加界面水的有序度和粘度;在与表面有相同距离时,不同平衡阳离子的(001)面界面水分子的扩散系数存在的大小顺序为Mg2+Ca2+Na+K+,在剪切力相同时,水化层与体相分离得到的颗粒表面水化层厚度的大小顺序为Mg2+Ca2+Na+K+,与试验结果一致。图[80];表[37];参考文献[164]
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD94
【图文】：

微细伊利石颗粒表面水化特性及机理研究

SFA工作原掣141Fig.1-ITheworkingprinciplediagramofSFAf}a}

工作原理,作用力

１绪论逦逡逑Ｔａｂｏｒ和Ｗｉｎｔｅｒｔ0ｎ［１４］首先设计出能够测量两微小表面间相互作用力与它们逡逑离关系的仪器，经过多年发展，ＳＦＡ己经成为表面科学，纳米摩擦学等领域逡逑的研究工具之一［３Ｗ５］。其工作原理如图１－１所示，当Ｘ＝０时，为位于下方的逡逑表面初始位置，当两样品表面距离较大时，它们之间不存在作用力。当两个逡逑表面间距离Ｘ缩短到一定范围时，即Ｘ＝ＤＱ－Ｄ，将会有作用力出现Ｆ（Ｄ），从逡逑起测力弹簧片的形变，形变的程度将是作用力大小的反映，即Ｆ（Ｄ）＝Ｋ（Ｄ0－Ｄ）。逡逑学者通过ＳＦＡ发现颗粒之间水化作用的存在［３＆３８］。Ｚｈａｏ［３９］等通过在ＳＦＡ设逡逑添加多光速（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋ｂｅａｍ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）分析设备研究云母表面的水化层，逡逑表面吸附的第一次水分子性质与冰类似，能承受高达４邋ＭＰａ的负荷。逡逑

【参考文献】