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发布日期:2018-01-21 →返回

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    为什么粘土膨胀
        通过分子动力学和蒙特卡罗采样技术的结合,解决了预测粘土矿物膨胀行为的特别困难的问题。引入的算法基本上模拟了水吸附等温线的实验测定,定量预测了蒙脱石型粘土的粘土膨胀,包括水合状态的发生和滞后。此外,还从一层到两层水合物的基础上对粘土膨胀的机理进行了深入的研究。事实证明,在这种情况下,粘土膨胀是通过反离子的迁移而产生的,这些反离子最初是与矿物表面结合到中间的夹层平面上的,在那里它们会完全水化。粘土膨胀的程度很大程度上取决于电荷轨迹。这些信息似乎可以转移到其他粘土类型。             粘土是一种普遍存在的矿物质,它是一种包含废物、药物和农用化学品和催化材料的衬垫材料。它们在土壤中保留和释放金属养分,在生物地球化学过程中发挥着重要作用。在石油开采过程中,粘土被用作钻井泥浆润滑剂,而用水基泥浆替代石油则会引起粘土丰富的页岩中不需要的膨胀,并导致粘滞性的泥浆破坏,甚至是油井坍塌。粘土由带负电荷的铝硅酸盐层组成。最具特色的特性是它们在层间吸附水的能力,产生强烈的排斥力和粘土膨胀。由于靠近表面的液体的性质与大量液体的性质完全不同,像DLVO理论这样的宏观理论无法描述典型的逐步微观膨胀。在这个体系中,膨胀强烈地依赖于夹层水的分子填料,而统计力学模拟已经揭示了有限流体结构的许多细节,但由于其对粘土含水量的预测的局限性,并没有引起膨胀机理。我们采用现代蒙特卡罗方法,使我们能够计算蒙脱土的水吸附等温线。此外,模拟 我们详细地了解了这种典型膨胀粘土的膨胀机理,这些粘土可以转移到其他类型的粘土中。         典型的显微镜或结晶肿胀是这个过程发生在离散的步骤,一个观察在粘土夹层的一个,两个,或三个水层的发生。图1显示了sodium蒙脱土的一层水合物的原子模型,包括所使用算法的细节。对于水蒸汽压p/p0) 0.3,我们的模拟代码预测这一层水合物的发生间隔为12.3。A,与实验值一致。
     
 
  粘土膨胀机制           目前的算法提供了一种预测膨胀粘土稳定状态的方法。然而,理想情况下,人们想要控制许多工程设置中的粘土膨胀。因此,了解粘土膨胀的微观机理是至关重要的。这些细节不容易接受实验观察。认识到在我们的模拟过渡期间,稳定状态发生了,我们的目的是获得准确的这类信息。为此,在稳定状态下进行了模拟。 对应于p/p0) 0.3,即。单层水合物。达到平衡态时,水压增加到p/p0) 0.8,对应于两层水合物。在膨胀过程中,水和钠的密度分布,凝聚在图3中。           在开始的配置中,一层水合物是很明显的。可见与钠离子形成内球表面复合体。在这个体系中,H2O/Na+比率在3到4之间。水分子位于中间层的中心。水的氧坐标为钠离子,而水氢原子与粘土表面的氧原子形成氢键。随着水汽压力的增加。土膨胀,但内层的复合物被保留,它们与粘土矿物表面的距离几乎保持不变。这样一来,水分子就形成了两层。层间距的增加导致水分子的限制减少,使它们能够适应钠离子。这是由水偶极子与粘土矿物表面法向量夹角的变化而产生的(图3)。解释为增加了对反离子的方向和降低了氢键对粘土矿物的影响。         结果表明,水分子接近于一个粘土表面,与最接近相反的钠离子相协调。过渡过程中的关键现象发生在靠近13.50 a的层位,即内部球体的钠离子移动到中间层的中心平面。这种反离子通量的驱动力是与这些反离子完全水化有关的能量。水合壳中的水分子与粘土矿物表面的维氢键相互作用,这些水合的钠离子被称为外球配合物。这种水合作用是通过增加层间体积和增加的插入水分子的数量来促进的。值得注意的是,钠离子移动到层间中心比H2O / Na +≈6。该比值与浓缩NaCl水溶液的钠配位数一致。一个具体的结构细节是。          初始膨胀阶段的水分子几乎与粘土片平行,它们的偶极矢量由于增强的反离子协调而重新定向。通过这种方式,它们在中央夹层面上的充分水化方向定位。我们怀疑这降低了钠离子转移的能量屏障。粘土的进一步膨胀会导致越来越多的钠离子在中间层的中心,同时吸附水分子,使这些离子水合。特别地,有人观察到,在该体系中,水氧原子与位于内球位置附近的钠离子重叠。由此产生的约束被进一步扩展到大约15.3 a的层间距,允许进一步增加粘土含水量和形成内球表面复合物。在这最后的状态中,很大一部分的反离子是完全水合的外层空间的中心层。这些observationsindicate肿胀所得部分水分状态的内在领域钠离子(H2O / Na + 3 - 4)状态的特点是充分水化outer-sphere钠离子与一个较小的部分内在领域钠离子(H2O / Na +≈8 - 9)。基本的转变发生在H2O/Na+附近6\。         可以设想,在最终状态下,6个水分子组成了位于中间平面的钠离子的第一个配位壳,而其余的水分子则有助于形成较小的内球表面复合体。直到现在,我们还考虑了一种只有八面体取代的蒙脱土模型粘土。天然粘土矿物,如更常见的威明式蒙脱石粘土,具有八面体和四面体的取代,而贝德利特则呈现出只有四面体取代的极端情况。cet -粘土的相互作用强烈地依赖于电荷轨迹,四面体电荷的位置更接近于层间,从而导致更强的结合的内球复合体