矿物表面基团与表面作用

矿物的表面或界面过程存在于一切地质过程中,并在材料和环境科学领域得到广泛应用。矿物的表面结构、表面基团与表面作用之间存在着一定的内在联系,矿物结构的多样性决定了表面基团类型的多种性和表面作用的多样性。本文较系统地介绍了矿物表面功能基、表面配位反应、表面配合反应、表面氧化还原反应、表面异位催化反应和表面离子交换反应的类型及作用机制。     

小球藻表面酯基屏蔽对钙锶生物矿化的影响

生物矿化作用是在有机基质全程参与调控与诱导下形成矿物的过程。本文以钙锶为研究对象,通过小球藻对钙锶的生物矿化诱导,探索钙锶形成稳定矿化体的条件和方法。通过SEM,FT-IR和XRD来考察小球藻表面基团酯基屏蔽前后对钙锶生物矿物的影响。结果表明:1锶离子浓度较高时,晶体更易生成文石结构;2钙离子浓度偏高时,则更偏爱方解石;3在小球藻的作用下,晶体的取向更易受浓度较大的离子的影响;4当屏蔽小球藻表面基团酯基后,钙离子及锶离子对晶体的成核取向上的调控能力减弱。简言之,小球藻表面基团酯基能促进晶型的转换,并且对晶体的形貌具有一定的调控能力     

氧化对牛蹄塘组页岩孔隙结构影响的试验研究

页岩气作为一种高效、清洁能源对我国的能源结构改革具有重要意义。由于页岩具有埋深大、地应力较高、孔隙率低等特点导致页岩气开采效率极低。为了探究氧化作用对牛蹄塘页岩的反应机理及在氧化作用下孔隙结构的变化,及探究合理的试验方案进而提高页岩的渗透率和页岩气的开采效率。本文以湖南牛蹄塘组页岩为研究对象,采用30%的过氧化氢溶液对牛蹄塘组页岩试样进行分级浸泡后采用超景深显微镜观察试样表面孔隙结构变化和裂隙演化规律;采用扫描电镜观测氧化前后页岩自然断面和由于氧化作用导致断裂层理面微观结构的变化;采用压汞实验测定氧化前后试样的孔隙结构和氧化作用对页岩孔隙率的改变。结果表明:1牛蹄塘组页岩在浸泡8 h后开始逐渐反应产生大量气泡并在试样表面产生附着物,试样层理间力学性质随反应进行不断弱化,最终试样沿层理断裂。2通过扫描电镜观察到在原始页岩试样中铁元素以硫铁矿形式大面积附着在黏土表面,氧化后硫铁矿中的硫元素基本被氧元素替换。3通过压汞实验得到氧化360 h后的试样较原始试样的孔隙体积由0.041 mL·g-1提升到0.137 mL·g-1、孔隙率由9.35%提升至25.35%。由此可得,氧化对富有机质页岩的孔隙结构产生显著变化、增强了页岩气在页岩中的运移能力。     

碱性环境中毒砂表面反应机理研究

在初始pH=12.3的碱性条件下,毒砂经过不同时间(0.5 h、2 h、4 h、6 h、8 h)处理后,通过SEM、XPS和前线轨道理论对其表面反应机理进行探讨。结果发现,毒砂表面Fe原子活性最强,最易从表面氧化而出。As元素与Fe迁移较同步,而S元素不同步。随时间增加,毒砂表面氧化程度增大,Fe原子析出最多。推测其表面反应过程:在碱性条件下,毒砂表面上的Fe原子首先被氧化析出为铁离子,在铁离子和氧气的作用下,As被氧化成为As(Ⅲ),吸附在结构疏松的氢氧化铁中,S被氧化为硫酸根,与钙离子结合形成石膏。最终氧化产物因溶解性和结晶性不同而不同程度地附着在毒砂表面。     

超临界CO2对烟煤和无烟煤化学结构的影响

超临界CO₂对煤化学结构的改造对煤层CO₂封存能力极为关键。论文开展了模拟埋深1500m （62.5℃、15 MPa）条件下4组不同变质程度煤的ScCO₂-H₂O体系与煤岩地球化学反应实验。通过傅里叶变换红外光谱和X射线粉末衍射实验获得了反应前后煤化学结构演化特征,探讨了煤化学结构演化的机理。结果表明:ScCO₂作用后,煤中脂肪烃链长度普遍增加,仅肥煤的芳香烃丰度增大,肥煤、瘦煤和贫煤含氧基团丰度的增大主要由氢键基团含量的增加贡献,无烟煤含氧基团丰度则主要受低分子化合物溶出的影响。ScCO₂引起的溶胀作用造成肥煤和瘦煤芳香层面之间交联键断裂,芳香微晶内部结构疏松,而芳香层面内C_Ar-C_Ar交联的形成提高了肥煤和瘦煤芳香性和芳香环缩合度;贫煤和无烟煤中非稠合多苯结构脱落使芳香微晶内部更紧凑,脂肪烃链长度的增加则降低了贫煤和无烟煤芳香性和芳香环缩合度。      

原子力显微镜在粘土矿物学研究中的应用

研究粘土矿物表面组成与表面结构的手段和方法多种多样,但由于粘土矿物特殊的晶体结构,这些手段和方法都有一定的局限性和不足。原子力显微镜是近年来发展起来的一种能达到原子分辨能力的表面结构分析仪器,能够分辨粘土矿物硅氧四面体片上的六方环结构及八面体片的羟基团,是研究粘土矿物表面反应、表面改性及表面溶蚀作用的重要手段。     

CNTs-LDO复合材料的构建及其催化性能

<正>在纳米级别水平上构建的具有等级结构的碳纳米管/金属氧化物复合材料,显示出优越的物理化学性能,具有广阔的应用前景[1]。基于此本研究制备了一系列碳纳米管/金属氧化物复合材料。这些材料无论是从形貌、结构、组成还是性能方面,都与单独的碳纳米材料或者金属氧化物材料不同[2]。并且,碳纳米管(CNTs)与金属氧化物的结合,使其在异相催化领域的应用显示出独特的协同作用。如碳纳米管较大的比表面积能有效提高氧化物颗粒的分散性,从而使其暴露更多的活性位点。此外,碳纳米管表面离域的π电     

热液喷口系统中Fe-Si氧化物沉淀体的形成及微生物的作用

根据形貌识别以及分子生物学最新研究结果,包括Gallionella ferruginea,Leptothrix ochracea和Mariprofundus ferrooxydans在内的嗜中性Fe氧化菌在现代甚至古代热液喷口系统的Fe氧化物沉积体的形成中起到了重要作用。对于现代热液喷口系统而言,还原性羽流进入氧化性海水时形成的氧化还原过渡带是嗜中性Fe氧化菌最重要的生存环境,它们能在此环境中与Fe的无机氧化机制展开有效竞争,藉此获取生存所必须的能量。此外,通过静电吸引和表面活性基团的键合作用,细胞能在其表面和附属器官形成Fe氧化物壳层,从而形成与细胞自身相态相似的各种丝缕状结构。丝缕状结构生长到一定程度,就会阻滞热液流体和海水混合,进而在丝缕体交织成的网络内发生传导性热冷却,使流体中的Si达到饱和,在Fe氧化物表面沉淀下来,形成现代热液喷口系统的Fe-Si二期次复合生长结构。与现代Fe-Si沉淀类似的古代条带状Fe建造(B IF)沉积体的近期研究成果显示,Fe的来源很可能是前寒武纪时的热液喷口系统。由于B IF形成的海洋环境处于整体缺氧状态,早期营光合作用的微生物以及与现代类似的嗜中性Fe氧化菌很可能都参与...     

泥页岩烃—孔隙—表面的关系及其对残留烃评价的意义

泥页岩中残留烃具有多种赋存态,且赋存态与赋存空间紧密相关,残留烃的研究必须同时关注赋存态和赋存空间。残留烃的不同赋存态在本质上是由于残留烃组分以及孔隙和表面性质的多样性造成的,导致不同赋存态烃的剥离条件具有差异,基于这种差异,提出有机溶剂抽提—化学湿氧化的相继处理方法分离游离态烃、物理吸附烃和化学结合态烃。泥页岩中存在多种类型的孔隙和表面,气体吸附法、压汞法、化学吸附法和成像方法的配合才能够全面表征泥页岩的孔隙结构。通过分析每一步处理前后烃参数和孔隙结构表征参数的变化特征可以建立烃—孔隙表面的关系,而烃和矿物在分子层面和微观尺度相互作用的研究有助于进一步丰富烃—孔隙—表面的关系,这对于深刻理解残留烃的赋存机理和流动特征具有重要意义。     

上房沟钼矿辉钼矿俄歇能谱分析

通过扫描电镜分析和俄歇能谱分析对上房沟钼矿原矿、浮选精矿和浮选尾矿以及三道庄钼矿(易选矿)中辉钼矿进行了表面元素组成和微形貌研究。结果显示上房沟钼矿中辉钼矿表面呈陡峭阶梯状,且氧化强烈,而三道庄钼矿中辉钼矿表面平整,氧化较弱。综合分析认为上房沟钼矿中辉钼矿陡峭阶梯状表面会增加其表面极性面的比重;表面氧化会增加辉钼矿表面非极性面的表面能,改变其表面疏水性。两者都会降低辉钼矿的可浮性。因此上房沟钼矿中辉钼矿表面氧化程度高、表面不平整是影响其浮选效果的主要因素之一。     

南水北调中线河南省受水区浅层地下水水位演化规律

南水北调中线工程供水后对河南省受水区浅层地下水位、用水结构等产生了重要影响。首先回顾了河南省平原区以往地下水位埋深变化,并通过收集、统计2008—2018年河南省受水区浅层地下水位的监测成果,基于ArcGIS软件,针对南水北调中线供水前后河南省受水区浅层地下水位变化进行量化分区;结合降水量、地下水资源量、供水量等资料对供水前后河南省受水区用水结构变化等进行分析。结果表明:自20世纪60年代至2008年,河南省平原区浅层地下水位平均埋深整体逐渐增加;河南省受水区地下水资源量随降水量增加呈线性增加趋势;南水北调中线一期供水后,2015—2018年平均地下水供水量在地下水资源量中的占比较2008—2014年减少9.55%;受水区浅层地下水位有所回升,且主要体现在埋深 > 8~12 m范围向埋深 > 4~8 m及≤4 m范围的转变,埋深 > 12~16 m及 > 16~20 m范围在受水前后基本保持不变,埋深 > 20 m的区域范围有所减少;2008—2014年各监测点分布县区的浅层地下水位呈下降趋势,2015—2018年供水期间有2/3以上县区浅层地下水位逐渐恢复;农林渔业用水和工业用水占比在供水后均有所减小,城乡生活、环境综合用水占比增加明显。研究结果表明南水北调中线工程对河南省受水区浅层地下水位恢复及缓解供水矛盾问题等产生积极有效的影响。      

临洪河口现代沉积环境及重金属元素的分布特征

对江苏北部临洪河口不同区域的表层与柱状沉积物进行了粒度分析、石英颗粒表面微细结构和沉积物的测年分析以及沉积物中的重金属含量分析．将河口划分为不同的沉积环境区．探讨了不同沉积环境中沉积物的粒度分布、石英颗粒表面微细结构、沉积速率以及重金属元素分布差异的原因。结果显示,临洪河口可以划分为低潮滩上的波浪与潮流强烈混合作用区、高潮滩上的弱潮流作用区、口门附近的潮流与河流强烈混合作用区和河道内河流与潮流弱混合作用区。重金属的含量在柱样的30～40cm深度呈现向表层递增的趋势,Hg的污染比较严重．其他元素基本无污染,整个河口区域的生态危害性严重;沉积物粒度分布不是该区域重金属分布的主要影响因素,城市污水排放量增加、氧化还原层位、沉降方式和不同沉积区的水动力环境是影响本区域重金属元素分布和累积的主要原因。     

不同酸液作用下牛蹄塘组页岩孔隙结构演化特征试验研究

孔隙结构是制约页岩气赋存与运移的重要因素.页岩致密、低渗,其孔隙度极低.酸液可溶蚀页岩中的部分矿物,使其孔隙增加,促进页岩内部的气体流动.论文利用稀盐酸、氢氟酸、混合酸分别对页岩试样进行了不同时间的酸化处理,应用扫描电镜(SEM)观测了酸化前后湖南牛蹄塘组页岩试样表面的孔隙.基于MATLAB对页岩酸化前后的电镜扫描结果...     

纳米材料对低固相冲洗液性能影响的研究

低固相冲洗液是最适合绳索取心钻探工艺的冲洗液类型之一,但其防塌护壁能力和钻孔净化能力弱,阻碍了绳索取心钻探工艺在复杂地层的应用。本文通过实验研究,分析了纳米四氧化三铁、纳米氮化硼、纳米二氧化钛、多壁碳纳米管和纳米二氧化硅对低固相冲洗液的流变性能和滤失性能的影响规律。结果表明：纳米四氧化三铁、多壁碳纳米管和纳米氮化硼对低固相冲洗液的性能影响最明显,且具有增粘提切的作用。在此基础之上,通过正交实验分析了上述3种纳米材料复合后对低固相冲洗液性能的影响规律,得到性能优良的复合纳米低固相冲洗液体系优化配方：3%钠基膨润土+0.5%CMC-HV+0.3%纳米四氧化三铁+0.9%纳米氮化硼+0.9%多壁碳纳米管。最后,分析了纳米材料改善低固相冲洗液性能的作用机理。     

ZH型重金属螯合纤维对水溶液中Sr2+的吸附行为

研究了ZH型重金属螯合纤维对水溶液中Sr~(2+)的吸附行为,考察了pH值、纤维加入量、Sr~(2+)初始浓度、作用时间等对吸附行为的影响,并采用SEM、EDS和FTIR等现代分析测试手段探讨了ZH型重金属螯合纤维对Sr~(2+)的吸附机制。结果表明,在pH值为7.0、纤维加入量为2.0 g/L、Sr~(2+)初始质量浓度为50 mg/L的条件下,纤维对Sr~(2+)的吸附在4 h左右基本达到平衡。实验条件下ZH型重金属螯合纤维对Sr~(2+)的最大吸附量可达26.22 mg/g。等温吸附拟合结果表明,ZH型重金属螯合纤维对Sr~(2+)的吸附可能是以单分子层为主的单分子层和多分子层吸附共同作用的结果。纤维对Sr~(2+)的动力学吸附过程符合准二级动力学模型。红外光谱分析表明Sr~(2+)与纤维上—NH_2和—COOH等基团进行配位络合从而吸附在纤维表面,—CH_2—和C=CH_2等基团参与此吸附过程。能谱分析表明Sr~(2+)与纤维上Na~+和Ca~(2+)还存在着离子交换作用。     

γ辐照对高庙子钠基膨润土矿物成分和微观结构的影响

为了解γ辐照对高庙子天然钠基膨润土中矿物组分和微观结构的影响,拓展高放地质处置缓冲材料性能评价范围,以内蒙古高庙子天然钠基膨润土和北山地下水为研究对象,利用红外光谱仪、X射线衍射仪和穆斯堡尔谱仪分析了不同γ辐照剂量(500、1000、1500、2000、2500和3000kGy)照射后的高庙子天然钠基膨润土中基团、矿物组分以及Fe的赋存状态和含量变化,并对其中Si元素在北山地下水中的溶解性进行测试。结果表明,随着累积辐照剂量的增加,膨润土中Fe(Ⅱ)含量明显增大,Fe(Ⅲ)含量显著减小;可溶性偏硅酸根随累积辐照剂量的增加而增加;辐射后膨润土的相关基团数量有所变化,蒙脱石含量增加,石英和钠长石含量下降,但没有发生种类变化。总体而言,γ辐照引起了高庙子天然钠基膨润土某些参数的显著变化,具体变化有待深入研究。     

双聚材料改良黄土持水性及生态效应研究

黄土的强水敏性问题是黄土地区生态修复的难点。选取双聚材料,开展崩解试验、变水头渗透试验、土水特征曲线试验以及植物生长生理指标测试等,探讨了双聚材料对重塑黄土工程性能的持水性和生态效应的影响,结合X射线衍射（XRD）、压汞和扫描电子显微镜（SEM）等微观试验,从成分、孔隙分布和颗粒结构等方面综合分析了其加固机理。研究结果表明:双聚材料的掺加能有效提高土样的抗崩解性,耐崩解系数随材料增加而增大。双聚材料能有效增强材料的持水性能,表现为渗透系数减小,土水特征曲线整体上移。双聚材料的掺加能有效提高植物生长和抗旱能力,表现为根冠比更大、根长更长以及超氧化物歧化酶（SOD）值受干旱影响变化量更小。双聚材料的添加并无新物质生成,其作用主要是增强颗粒间联结,生成大量黏聚体,孔隙分布由中孔隙向大孔隙和微小孔隙转化。双聚材料中含有大量极性活性基团酰胺基（—CONH2）吸附架桥使得土颗粒团聚,羟基（—OH）和羧基（—COOH）附着于表面形成保护膜,由团聚粒至团聚体层层包裹促进土壤稳定。     

天然蛇纹石活性机理初探

通过对蛇纹石化学成分、晶体结构及键性的分析，将蛇纹石的活性基团划分为5类，即不饱和Si—O—Si键、O—Si—O键、含镁键类、羟基和氢键，并详细介绍了各类活性基团的特征，尤其对硅氧四面体悬挂键做了介绍。指出正是这些活性基团的存在使蛇纹石具有很高的化学活性和生物活性。纤蛇纹石是一维纳米纤维矿物，易进入生物细胞，并释放出OH^-、Mg^2 、SiO2及Ni^2 等，同时不饱和O—Si—O键发生断裂形成游离氧，由纤蛇纹石形成的这种碱性氧化溶液会严重影响生物机体的正常工作，并使其产生各种病变。     

改性活性炭的制备及其对金吸附性能的研究

活性炭因具有良好的吸附性能而得到广泛应用,但其吸附能力有限。本文采用氟化氢铵和不同浓度硝酸(0~80%硝酸)对活性炭进行表面改性处理,利用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱法(FT-IR)、BET氮吸附法、Boehm滴定法对改性前后活性炭进行了表征分析,并比较了改性前后的活性炭对Au(Ⅲ)的吸附效果。结果表明:随着硝酸浓度的增加,改性活性炭的灰分、平均比表面积、孔隙容量、吸附孔径均有不同程度的降低,发达的微孔结构受到影响,表面性能降低不利于增加其吸附容量;但表面含氧官能团羟基、羧基数量均明显增加,活性炭的极性、亲水性、催化性能、表面电荷和骨架电子密度发生改变,对金属离子的吸附选择性和吸附能力有所提高。20%硝酸改性活性炭的平均比表面积、孔径容量、吸附孔径减小程度较低,酚羟基含量和含氧官能团总量分别却增加了168.3%、109.1%;用于吸附Au(Ⅲ)的回收率可达99.1%,较未改性的活性炭提高最大,金测定值的精密度好(相对标准偏差为0.6%~1.4%),准确度高。表征分析表明,改性活性炭对金的吸附是表面物理吸附和官能团化学吸附并存的过程,而且官能团化学吸附起主要作用。     

不同氧化度碱性水钠锰矿氧化As(Ⅲ)和Cr(Ⅲ) 的动力学特性

用批量法研究了Mn平均氧化度分别为4.02、3.85和3.70的碱性水钠锰矿对As(Ⅲ)和Cr(Ⅲ)氧化的动力学特性。结果表明,碱性水钠锰矿氧化As(Ⅲ)和Cr(Ⅲ)先经历准一级动力学反应阶段,随后表观速率常数(k_obs)逐渐减小至趋近零,达到反应平衡,k_obs逐渐减小除了逆反应影响外,还与产物在矿物表面不断积累,钝化反应位点有关。初始反应阶段k_obs随氧化度增加而增大,氧化As(Ⅲ)的k_obs分别为: 0.095 1、0.039 6和0.007 1 min^-1;氧化Cr(Ⅲ)的k_obs分别为0.034 2、0.017 8和0.014 8 min^-1。氧化As(Ⅲ)的初始反应阶段生成的Mn(Ⅱ)基本保留在矿物表面,对反应位点钝化大,使k_obs减小速度快。而Cr(Ⅲ) 氧化初始阶段,Mn(Ⅱ)释放明显滞后于Cr(Ⅵ)释放,但随反应进行逐渐增加,与Cr(Ⅵ)释放量比值接近于反应计量比。故Cr(Ⅲ) 氧化生成Mn(Ⅱ)对位点的钝化远小于As(Ⅲ)氧化,其初始反应阶段后k_obs减小速度较慢,且氧化度越高,保持一级动力学的初始反应阶段越长,k_obs减小越慢。因此,水钠锰矿的Mn氧化度越高,氧化As(Ⅲ)和Cr(Ⅲ)的反应速率越快,As(Ⅲ)和Cr(Ⅲ)在碱性水钠锰矿表面氧化产物的释放行为是影响其反应动力学特性的重要因素。