發(fā)布時(shí)間：2020-07-01 02:32

【摘要】：粘土礦物是一類廣泛存在于地球表層的含水層狀硅酸鹽礦物,其資源儲(chǔ)量豐富,價(jià)格低廉。由于其特殊的二維納米片層結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的表面反應(yīng)活性,粘土礦物不僅在地質(zhì)過(guò)程中與自然界多種元素和分子的遷移密切相關(guān),還在污水處理、土壤修復(fù)等污染控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此,粘土礦物與多種分子/離子的表界面作用特征廣受關(guān)注,而相關(guān)界面作用機(jī)制也是礦物學(xué)、地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)。但由于受粘土礦物復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段的限制,目前粘土礦物與分子/離子的表界面作用機(jī)制仍不夠清楚。 論文以蒙脫石為代表,采用分子模擬方法,圍繞如何進(jìn)一步探明水環(huán)境下蒙脫石的層間域微觀結(jié)構(gòu)以及其與有機(jī)分子的相互作用等科學(xué)問(wèn)題,首先研究了甲烷在蒙脫石層間域的水合結(jié)構(gòu)特征及影響其穩(wěn)定性的主要因素;其次研究了有機(jī)陽(yáng)離子負(fù)載量對(duì)典型長(zhǎng)、短碳鏈有機(jī)蒙脫石(CTMA-Mt 和 TMA-Mt)在水環(huán)境下的微觀結(jié)構(gòu)和吸附有機(jī)分子特征的影響。論文取得了以下有價(jià)值的成果: (1)闡明了蒙脫石層間域內(nèi)存在特殊的類甲烷水合物結(jié)構(gòu)及影響其穩(wěn)定性的主要因素。一定溫壓條件下,甲烷分子在蒙脫石層間域被固定在硅氧六元環(huán)上方,并被層間水分子包圍形成半籠型的類水合物結(jié)構(gòu)。蒙脫石層間含水量是影響這一結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最主要的因素,層間水含量達(dá)到三層水時(shí),類甲烷水合物結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在。類水合物的穩(wěn)定性還受蒙脫石片層的電荷密度和分布特征影響。蒙脫石片層密度越大,四面體電荷比例越大,對(duì)水分子活動(dòng)性的限制作用越大,層間類甲烷水合物的穩(wěn)定性越高。 (2)探明了水環(huán)境下 CTMA 蒙脫石層間域微觀結(jié)構(gòu)特征,明確了其吸附有機(jī)物是以分配作用為主導(dǎo)、多種作用機(jī)制共存。水環(huán)境中隨著 CTMA 負(fù)載量的增大,層間域 CTMA 烷基鏈的排列模式由層狀轉(zhuǎn)為傾斜狀聚集體,聚集體尺寸和堆垛密度增大,苯酚從蒙脫石表面逐漸進(jìn)入 CTMA 聚集體中,說(shuō)明吸附過(guò)程以分配作用為主。負(fù)載量過(guò)高時(shí) CTMA 聚集體堆垛密度和粘連性較高,存在空間位阻效應(yīng)影響對(duì)苯酚的吸附。蒙脫石表面和層間域無(wú)機(jī)離子(Ca2+或 Br-)與苯酚有特殊的氫鍵作用。蒙脫石表面氧以及 Br-周圍的水作為氫鍵受體,Ca2+周圍的水作為氫鍵給體與苯酚形成氫鍵,影響苯酚與 CTMA 蒙脫石的相互作用。 (3)揭示了層間未交換無(wú)機(jī)離子分別為 Ca2+和 K+時(shí),有機(jī)陽(yáng)離子負(fù)載量對(duì) TMA蒙脫石層間域結(jié)構(gòu)、水化特征以及吸附特征的影響。層間為 Ca2+時(shí),TMA 的排列方式和水化特征都隨 TMA 負(fù)載量增大而改變。隨著 TMA 負(fù)載量的增大,TMA由雙層排列變成單層排列,從層間逐漸陷入硅氧六元環(huán)中,TMA-Ca 蒙脫石水化能減小。TMA 負(fù)載量的增大雖然增強(qiáng)了層間域的疏水性,但也減少了層間有效吸附空間,對(duì)苯酚吸附既有促進(jìn)作用又有阻礙作用。苯酚的吸附位點(diǎn)主要在蒙脫石表面氧上方。層間為 K+時(shí),TMA 的排列方式和水化特征隨著 TMA 負(fù)載量的增大沒(méi)有明顯變化。TMA 在層間域始終呈單層排列并陷于硅氧六元環(huán)中,水化能變化不明顯。隨著負(fù)載量增大,TMA-K 蒙脫石層間有效吸附空間減小,不利于對(duì)苯酚的吸附。苯酚的吸附位點(diǎn)主要是硅氧六元環(huán)中間。相同 TMA 負(fù)載量時(shí),K+的水化能小于 Ca2+,層間域環(huán)境更加疏水,對(duì)苯酚的吸附性能更好。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(廣州地球化學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X505;P579
【圖文】：

第一節(jié) 蒙脫石礦物的晶體化學(xué)特征蒙脫石（Montmorillonite）是 1847 年 Damour 和 Saluetat 在研ontmorillon 粘土?xí)r，對(duì)其中的含水鋁硅酸鹽礦物所取的名稱。18hatelier 提出了它的化學(xué)式；1933 年 Hofmann、Enden 和 Wilm 提出了構(gòu)特征的原始假設(shè)(Hofmann et al., 1933)；1976 年，在墨西哥召開(kāi)的論會(huì)上決定采用“蒙皂石族”這一術(shù)語(yǔ)代替過(guò)去的“蒙脫石-皂石族”礦脫石這一術(shù)語(yǔ)專用于二八面體蒙皂石（楊嫻, 2007）。蒙皂石類礦物由兩個(gè)硅氧四面體片和一個(gè)鋁氧八面體片結(jié)合而成層狀硅酸鹽礦物。其典型片層結(jié)構(gòu)式可用 Al4Si8O20(OH)4·nH2O 來(lái),1992)。其晶體結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。一般四面體空隙由 Si4+，Al3+等填空隙由 Mg2+，Al3+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+等填充。其中八面體空隙若為 Fe3+填為綠脫石（即鐵端元蒙脫石）(王鴻喜,1980)。蒙皂石普遍具有類質(zhì)同層有較多的負(fù)電荷，具有很強(qiáng)的吸附能力和陽(yáng)離子交換能力，片層形成混層礦物(王鴻喜, 1980; 趙杏媛, 1990; 姚道坤, 1994; He et al., 2

量等不同而變化。蒙脫石的分子式是在 Hofmann 蒙脫石假設(shè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)晶體類質(zhì)同像和層間陽(yáng)離子吸附狀態(tài)等確定的。一般二八面體蒙脫石晶體化學(xué)式為：(M+x+y nH2O)(R3+2-yR2+y)[(Si4-xAlx)O10](OH)2式中，M 代表層間陽(yáng)離子，通常是 Ca2+、Na+、K+、Mg2+等，但也可以是其他陽(yáng)離子或者有機(jī)分子。層間陽(yáng)離子水化和水分子構(gòu)成水合陽(yáng)離子，在不同的介質(zhì)中，陽(yáng)離子可以相互交換，因此蒙脫石具有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力（圖 2.2）。八面體中的 R2+一般為 Mg2+或 Fe2+；而 R3+主要為 Al3+或 Fe3+，也可以由 Ni2+、Zn2+、Cu2+、Cr3+、Li+等離子，它們可以形成類質(zhì)同像系列。在四面體片中，除了通常出現(xiàn)的 Al3+→ Si4+置換外，也可以由少量的 Fe3+置換 Si4+(趙杏媛, 1990; 楊雅秀,1994; 李倩, 2008)。典型的 Ca 和 Na 蒙脫石的晶胞參數(shù)是 a = 0.51 nm，b = 0.88nm，α = β = 90o，γ = 101o。二者的 c 值，分別為 1.50 nm 和 1.20 nm 左右，這是因?yàn)閷?duì)于 Ca 蒙脫石來(lái)說(shuō)，其層間域在自然條件下會(huì)形成兩個(gè)水分子層，而 Na 蒙脫石層間域一般只有一個(gè)水分子層(趙杏媛, 1990; 楊雅秀, 1994; 李倩, 2008)。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 魏家有;高書(shū)存;蘭孝龍;;土微觀結(jié)構(gòu)的研究綜述[J];林業(yè)科技情報(bào);2010年03期

2 何祚庥;人類對(duì)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)及其在生產(chǎn)實(shí)踐上的意義[J];物理;1978年03期

3 吳義祥;張宗祜;凌澤民;;土體微觀結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)況評(píng)述[J];地質(zhì)論評(píng);1992年03期

4 ;從人骨的微觀結(jié)構(gòu)談起[J];新知客;2009年02期

5 李振,王清,范建華,劉瑩,陳慧娥;固化軟土微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版);2004年04期

6 邵守福;鄭鵬;張家良;鈕效濵;王春雷;鐘維烈;;CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能[J];物理學(xué)報(bào);2006年12期

7 古應(yīng)運(yùn);吳任平;于巖;郭錦瑜;蔡振哲;;保溫時(shí)間對(duì)鋁廠廢渣研制的氧化鋁磨介微觀結(jié)構(gòu)及性能影響[J];福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年05期

8 張旭亮;;網(wǎng)點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)解析[J];測(cè)繪通報(bào);2007年12期

9 吳永;韓飛宇;王波;韓方恩;;隨機(jī)多相材料微觀結(jié)構(gòu)的三維統(tǒng)計(jì)重構(gòu)[J];材料導(dǎo)報(bào);2008年12期

10 張禮中;胡瑞林;李向全;張永波;;土體微觀結(jié)構(gòu)定量分析系統(tǒng)及應(yīng)用[J];地質(zhì)科技情報(bào);2008年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 劉紅林;金志浩;曾曉梅;郝志彪;;快速低成本C/C復(fù)合材料的性能與微觀結(jié)構(gòu)分析[A];復(fù)合材料——基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）[C];2006年

2 魏進(jìn)家;張成偉;川口靖夫;;表面活性劑溶液在剪切流和拉伸流狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

3 唐學(xué)原;程健男;陸雪川;陳立富;;含鐵SiC纖維1800℃燒成后的微觀結(jié)構(gòu)[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間材料專業(yè)委員會(huì)2011學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2011年

4 李新平;代翼飛;陳友治;祝文化;;薄壁防滲抗裂混凝土的微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[A];第六屆全國(guó)工程結(jié)構(gòu)安全防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

5 劉建民;;改善骨微觀結(jié)構(gòu)是提高抗骨折療效的關(guān)鍵[A];2009中華醫(yī)學(xué)會(huì)骨質(zhì)疏松癥中青年學(xué)者論壇論文集[C];2009年

6 張臘梅;王慧勇;王鍵吉;;離子液體[C_(12)mim]Br水溶液的微觀結(jié)構(gòu)[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第十五屆全國(guó)化學(xué)熱力學(xué)和熱分析學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要[C];2010年

7 徐榮九;周洋;陳大明;;添加劑對(duì)96%Al_2O_3陶瓷微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響[A];2000年材料科學(xué)與工程新進(jìn)展（上）——2000年中國(guó)材料研討會(huì)論文集[C];2000年

8 魯燕萍;張?jiān)弃Q;;含鈦衰減陶瓷制作工藝[A];2002年電子陶瓷及其在真空電子行業(yè)中應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)論文集[C];2002年

9 李丹;賀汀;潘峰;;Fe/Mo多層膜的微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力研究[A];TFC’03全國(guó)薄膜技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2003年

10 洪振舜;立石義孝;劉松玉;鄧永鋒;;不同應(yīng)力水平下強(qiáng)結(jié)構(gòu)性硅藻土的微觀結(jié)構(gòu)特性研究[A];中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2003年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 焦艷玲;昆蟲(chóng)展內(nèi)容形式有新意[N];市場(chǎng)報(bào);2004年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 梁崴;微觀結(jié)構(gòu)噪音下的資產(chǎn)價(jià)格行為[D];天津大學(xué);2010年

2 焦明立;聚乳酸中貝殼層狀微觀結(jié)構(gòu)的形成及其增韌增強(qiáng)的研究[D];東華大學(xué);2008年

3 孫如華;東部礦區(qū)深部土結(jié)構(gòu)力學(xué)性研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2010年

4 周青;蒙脫石層間域微結(jié)構(gòu)及其吸附有機(jī)物的分子模擬[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(廣州地球化學(xué)研究所);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前9條

1 曾斌;CVD B_xC涂層的微觀結(jié)構(gòu)、沉積特性、晶化及氧化行為[D];廈門大學(xué);2008年

2 胡林彥;鈦酸鋇基PTC陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及PTC機(jī)理研究[D];河北理工大學(xué);2005年

3 金克盛;昆明紅土的固化特性及微觀結(jié)構(gòu)圖像特征參數(shù)研究[D];昆明理工大學(xué);2005年

4 崔行宇;六方氮化硼微觀結(jié)構(gòu)與吸附性能的研究[D];沈陽(yáng)大學(xué);2012年

5 李春艷;二元及多元金屬氧化物功能材料的微觀結(jié)構(gòu)及其物理性能的研究[D];青島大學(xué);2013年

6 肖聲明;納米粒子填充改性聚四氟乙烯復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)分析[D];南京農(nóng)業(yè)大學(xué);2009年

7 封帆;長(zhǎng)春地鐵二號(hào)線建設(shè)層粘性土微觀結(jié)構(gòu)研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）;2014年

8 丁月蕾;由外而內(nèi)，看透你的“眼”[D];上海交通大學(xué);2011年

9 孫麗麗;納米乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)與相穩(wěn)定性研究[D];北京化工大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2736174