共存离子对粘土矿物-溶液界面金属离子吸附行为影响的理论研究
作者单位：西南大学
学位级别：硕士
导师姓名：杨刚
授予年度：2019年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 0709[理学-地质学] 07[理学] 070901[理学-矿物学、岩石学、矿床学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学]
摘 要：粘土矿物是一类广泛分布于地球表层系统的层状铝硅酸盐矿物,具有特殊的层间结构和较大的比表面积。同时,粘土矿物是土壤的重要组成部分,是自然界中普遍存在的天然吸附剂。由于具有独特的电荷性质和三维结构,粘土矿物表现出优异的吸附性、离子交换性以及可膨胀性等物理化学特性。一直以来,离子在粘土矿物/溶液界面的吸附都是胶体界面化学、土壤学、环境科学等领域的研究重点之一。离子在粘土/溶液界面的吸附不仅深刻影响着土壤矿物的溶解、表面沉淀、离子交换和催化反应性能,还在很大程度上决定着营养元素的吸收与利用以及水分和污染物在土壤系统中的迁移和运输。因此,研究粘土/溶液界面的离子吸附行为与机制,有助于我们深入理解土壤矿物质的吸附等各方面性能,同时对于治理全球性的环境污染问题以及维持生态可持续发展具有深远的意义。同晶替代使粘土矿物产生永久电荷,从而能吸附溶液中带相反电荷的离子,被吸附的离子通过静电引力被牢牢地束缚在粘土矿物表面。在粘土矿物中,晶格中的离子通常被更低价的离子所取代,因此以带负电荷为主。另一方面,在真实的土壤体系中,金属离子几乎不会单独存在,而是以多种金属离子同时存在并构成了复杂的土壤/溶液界面体系。土壤中大量的重金属离子和放射性离子的累积已经严重威胁到土壤系统的安全和人类的身体健康。因此,多金属离子在粘土矿物/溶液界面吸附行为的研究将有助于我们深入理解共存离子对金属离子吸附的影响及复杂的土壤体系,还有助于我们认识重金属和放射性离子污染机制及相关的修复方法。本论文运用分子动力学方法,在原子水平上深入而系统地研究了共存离子对粘土矿物/溶液界面金属离子吸附行为的影响。首先,探究了单种金属离子在粘土矿物/溶液界面的吸附行为,阐明了电荷分布位置对金属离子吸附的影响。接着,研究了共存离子对蒙脱石/溶液界面金属离子吸附行为的影响,包括吸附类型、吸附数量、吸附稳定性和配位环境等,进而阐明双金属离子的共吸附机制;最后,研究共存离子对贝得石/溶液界面金属离子共吸附的影响,并探讨了电荷分布位置对粘土矿物/溶液界面双金属离子吸附行为的调节作用。研究结果表明:(1)金属离子在蒙脱石/溶液界面和贝得石/溶液界面可能会产生完全不同的吸附行为。如Na离子和Pb离子,在蒙脱石/溶液界面以外圈吸附为主,吸附稳定性较弱、脱附能垒较低,易于从蒙脱石表面解吸进入本体溶液中。而当它们吸附在贝得石/溶液界面时,原子密度图和平均力势的结果表明两者均出现了显著的内圈吸附,且具有很高的稳定性。而Cs离子在蒙脱石/溶液界面和贝得石/溶液界面表现出相近的吸附行为,均以内圈吸附为主。相比于蒙脱石,贝得石表面吸附的Cs离子数目更多,稳定性也更强。可见,金属离子的吸附行为显著受粘土矿物表面电荷位置的影响,且内圈吸附受到的影响要比外圈吸附更明显;(2)双金属离子在蒙脱石/溶液界面的共吸附存在普遍的规律,即金属离子的吸附模式不会受共离子的影响,但其吸附数量和吸附稳定性会明显受到影响。但是,不同的双离子体系存在不同的吸附特性:共存促进了Pb离子的吸附但抑制了Cd离子的吸附;Cs离子的存在抑制了Pb离子的吸附,而共存的Pb离子促进了Cs离子的吸附;Pb离子和Na离子共存于同一体系促进了彼此的吸附;K离子和Cs离子在对矿物表面吸附位点的竞争过程中Cs离子更占优势,等等。研究结果促进了我们对真实土壤体系中复杂的金属离子吸附机制的认识,同时也有助于土壤中重金属及放射性金属离子污染的防治。(3)不同金属离子在贝得石/溶液界面的共吸附也表现出不同的特性,但是与蒙脱石/溶液界面的共吸附结果有着显著的区别。Na和Cs离子对贝得石表面吸附位点的竞争影响了各自的吸附结构,导致了吸附稳定性和数量的差异,使得Na离子更占优势。Pb和Na离子在贝得石表面的吸附表现为此消彼长的趋势,且电场强度显著影响了两者的吸附稳定性,在高电场条件下为明显的PbNa序列,而在低电场条件下为PbCa。研究结果让我们在分子水平上更加深入理解了双金属离子在粘土矿物/溶液界面的共吸附机制,帮助我们更好地认识真实的土壤系统。同时,在一定程度上解释了粘土体系受到严重重金属离子污染的原因,有助于我们对污染土壤的认识和治理。
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