【摘要】：粘土類礦物是煤泥水中的主要礦物,由于粘土類礦物顆粒表面的強(qiáng)親水性導(dǎo)致煤泥顆粒表面形成一定厚度的水化膜,煤泥顆粒間存在水化斥力,不利于煤泥水的沉降,同時(shí)對(duì)煤泥脫水帶來嚴(yán)重不利影響。從微觀出發(fā),以煤泥水中的主要粘土礦物之一伊利石為研究對(duì)象,研究并掌握煤泥水中伊利石顆粒表面水化特性和機(jī)理,可以為煤泥水沉降及脫水新技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持,對(duì)高泥化煤泥水沉降澄清處理有著十分重要的意義。通過試驗(yàn)和理論計(jì)算研究了微細(xì)伊利石顆粒對(duì)煤泥水沉降的影響及伊利石顆粒表面水化特性規(guī)律。發(fā)現(xiàn)煤泥水中解理程度高的微細(xì)片狀伊利石顆粒會(huì)惡化煤泥水沉降;伊利石表面的水化膜弱化顆粒間的范德華作用勢能,顆粒界面雙電層內(nèi)金屬陽離子的水化產(chǎn)生額外的斥力,以及顆粒表面水化膜間的排斥均不利于煤泥水沉降;粒徑較小或懸浮液pH較大的伊利石顆粒的水化度較大;由于金屬陽離子水化能不同,不同電解質(zhì)的微細(xì)伊利石顆粒表面水化度大小順序?yàn)锳l3+Mg2+Ca2+Na+K+,Mg2+、Na+濃度的增加,會(huì)增加顆粒表面水化程度�；诿芏确汉碚撃M計(jì)算研究了伊利石的晶格取代對(duì)表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響規(guī)律。研究表明伊利石晶胞的硅氧四面體中的晶格取代位置是對(duì)位分布時(shí),晶胞的能量最穩(wěn)定,層間陽離子電勢越大,層間距越小;K+在(001)面吸附以靜電作用為主,NH4+在(001)面吸附以共價(jià)作用為主;不同陽離子在(001)面吸附的吸附能大小順序?yàn)镵+Na+NH4+Ca2+Mg2+,晶格取代比例的增加,金屬陽離子的吸附能增大;晶格取代使得基面取代附近的氧原子活性增強(qiáng),同時(shí)增加端面取代附近羥基基團(tuán)的酸堿性。采用DFT模擬計(jì)算揭示了水分子在伊利石表面吸附的微觀機(jī)理。結(jié)論為水分子在銨伊利石(001)面吸附的最穩(wěn)定吸附構(gòu)型為垂直吸附于有NH4+的硅氧環(huán),水分子的氫原子、氧原子分別與(001)面A1O3的氧原子和NH4+的氫原子形成較強(qiáng)氫鍵,吸附能為-0.67eV;在鉀伊利石(001)面吸附的水分子一方面與表面AlO3的氧原子形成氫鍵,另一方面受K+的靜電作用,最穩(wěn)定構(gòu)型的吸附能為-0.55 eV;在(010)面吸附的水分子,由于層間K+的存在,阻礙水分子進(jìn)入層間,最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型為平躺吸附在硅羥基和鋁羥基基團(tuán)之間,與表面形成3個(gè)氫鍵,吸附能為-0.91 eV;水分子在表面吸附存在氫鍵作用和靜電作用;水分子在(010)面的吸附強(qiáng)于(001)面,端面的增加,使得水分子在(010)面的吸附位增多,導(dǎo)致顆粒水化膜的強(qiáng)度增大。借助DFT模擬計(jì)算揭示了 H3O+和OH-在伊利石表面吸附的微觀機(jī)理。發(fā)現(xiàn)在(001)面硅氧環(huán)上方的水分子易獲得質(zhì)子,H30+優(yōu)先吸附于硅氧環(huán)空穴上方;(010)面的≡Al-OH易從H30+獲得質(zhì)子,水分子與H30+存在競爭吸附;OH-在(001)面的吸附為吸熱反應(yīng),不能自發(fā)的在(001)面吸附;OH-在(010)面優(yōu)先與四面體中的取代原子Al形成配位鍵,OH-在(010)面吸附使得水分子獲電子0.04e,提高了與界面的金屬陽離子間的靜電作用,有利于陽離子的吸附。通過MD模擬計(jì)算揭示了表面荷電及金屬陽離子對(duì)伊利石水化層的影響規(guī)律。結(jié)果表明伊利石界面性質(zhì)受表面荷電影響,隨著表面荷電增加,水化層內(nèi)水分子密度增加,水分子層緊密,Stern層厚度減小,擴(kuò)散層對(duì)K離子的束縛增強(qiáng),界面水分子的擴(kuò)散系數(shù)減小;在伊利石界面吸附的金屬陽離子水化數(shù)大于在體相的水化數(shù),界面K+的主要吸附位置位于距離(001)面1.6、2.5 A處,Na+主要吸附位置位于2.0、4.0A處,Ca2+、Mg2+主要吸附位置位于2.0、4.0A處;K+、Na+主要在硅氧環(huán)Si4Al206吸附,Ca2+、Mg2+主要在硅氧環(huán)Si4Al206和AlO3的空穴處吸附;K+、Na+、Ca2+、Mg2+在(001)面的吸附增加界面水的有序度和粘度;在與表面有相同距離時(shí),不同平衡陽離子的(001)面界面水分子的擴(kuò)散系數(shù)存在的大小順序?yàn)镸g2+Ca2+Na+K+,在剪切力相同時(shí),水化層與體相分離得到的顆粒表面水化層厚度的大小順序?yàn)镸g2+Ca2+Na+K+,與試驗(yàn)結(jié)果一致。圖[80];表[37];參考文獻(xiàn)[164]
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD94
【圖文】：

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

１緒論邐逡逑Ｔａｂｏｒ和Ｗｉｎｔｅｒｔ0ｎ［１４］首先設(shè)計(jì)出能夠測量兩微小表面間相互作用力與它們逡逑離關(guān)系的儀器，經(jīng)過多年發(fā)展，ＳＦＡ己經(jīng)成為表面科學(xué)，納米摩擦學(xué)等領(lǐng)域逡逑的研究工具之一［３Ｗ５］。其工作原理如圖１－１所示，當(dāng)Ｘ＝０時(shí)，為位于下方的逡逑表面初始位置，當(dāng)兩樣品表面距離較大時(shí)，它們之間不存在作用力。當(dāng)兩個(gè)逡逑表面間距離Ｘ縮短到一定范圍時(shí)，即Ｘ＝ＤＱ－Ｄ，將會(huì)有作用力出現(xiàn)Ｆ（Ｄ），從逡逑起測力彈簧片的形變，形變的程度將是作用力大小的反映，即Ｆ（Ｄ）＝Ｋ（Ｄ0－Ｄ）。逡逑學(xué)者通過ＳＦＡ發(fā)現(xiàn)顆粒之間水化作用的存在［３＆３８］。Ｚｈａｏ［３９］等通過在ＳＦＡ設(shè)逡逑添加多光速（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋ｂｅａｍ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）分析設(shè)備研究云母表面的水化層，逡逑表面吸附的第一次水分子性質(zhì)與冰類似，能承受高達(dá)４邋ＭＰａ的負(fù)荷。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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2 劉令云;閔凡飛;張明旭;宋少先;陸芳琴;;微細(xì)高嶺石顆粒在惰性電解質(zhì)溶液中的質(zhì)子化和去質(zhì)子化作用[J];煤炭學(xué)報(bào);2013年04期

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本文編號(hào)：2717945