黏土矿物—水界面的量子力学模拟研究

黏土矿物广泛分布于自然界中,其对地质和地球化学过程有重要意义,也是工业、环境等领域中的重要矿物材料。黏土矿物的众多物化性质均与其表界面结构和性质有关。作为实验研究方法的重要补充,量子力学模拟被广泛用于黏土表界面性质的研究。本文回顾了利用量子分子动力学模拟对黏土矿物-水界面性质的研究,包括表界面结构、表面酸度和离子络合等方面。     

大颗粒黏土矿物对黏土矿物X射线衍射定量分析的影响

现行X射线衍射分析黏土矿物都是提取粒径小于2μm的悬浮溶液检测样品的黏土矿物组合及含量,含量数据有时与其他检测数据相悖。在鄂尔多斯盆地黏土矿物研究中,通过偏光显微镜和扫描电镜发现存在粒径大于2μm的黏土矿物颗粒,特别是高岭石的粒径多为3～10μm,这些大颗粒黏土矿物会造成含量数据不准确。为了证明大颗粒黏土矿物对其含量测量的影响,本文设计了不同粒径标准的提取物对比试验:随机选取267个样品,每个样品分别按照10μm和2μm标准提取两份悬浮溶液制成测试片,采用SY/T5163—2010行业标准中的检测方法得到10μm和2μm提取物的黏土矿物组合及含量。通过对比发现大颗粒黏土矿物对各类黏土矿物的相对含量测量结果有明显影响:10μm提取物中高岭石含量明显增大;伊利石/蒙脱石间层矿物含量显著降低;伊利石含量的变化小且无规律;绿泥石含量整体变化较小,少量样品中绿泥石含量发生了明显的偏离,与大颗粒高岭石的赋存有关。本研究提出应结合地质状况和工作目的审慎选择提取粒径的标准,对SY/T 5163—2010中的黏土矿物提取粒径标准作出修订。     

广西红黏土矿物成分分析

黏土矿物成分对其工程力学性质具有显著的影响。目前,在黏土矿物种类鉴定方面已有一些成熟的方法技术,而对黏土的矿物成分定量分析尚没有成熟的方法。本文基于X射线衍射试验、全化学元素分析、Bogue法和K值法,对广西武鸣、桂林两地红黏土的矿物成分进行了定性鉴定和定量分析。研究结果表明:(1)桂林、武鸣两地红黏土的主要矿物均为高岭石、三水铝石、针铁矿,桂林红黏土还含有一定量的石英。(2)武鸣红黏土的矿物成分及其含量依次为:高岭石(74.0%)、三水铝石(12.53%)、针铁矿(2mm, 2.22%)、针铁矿(2mm, 8.37%)。(3)桂林红黏土的矿物成分及其含量依次为:高岭石(56.59%)、三水铝石(11.44%)、针铁矿(15.61%)、石英(12.45%)。     

环境矿物界面反应动力学

环境矿物界面反应动力学主要探讨地表中各种有毒、有害离子或分子与矿物表面之间的反应速率与反应机制。矿物表面存在一组化学活性很强的表面功能基，当它们与环境中毒害物质发生作用时，会因其极性、荷电性和Lewis酸碱性不同而表现出不同的作用力和反应速率，进而控制有毒、有害物质在大气、水体和沉积物中的赋存形态，稳定性及迁移转化速率。本文简要介绍了环境矿物界面反应动力学理论，并给出几个应用实例。     

基于SEM-EDS的湿陷性黄土黏土矿物定量分析

黄土在压力作用下受水浸湿后,其特有的孔隙体系内颗粒间胶结作用的丧失而导致颗粒发生相对滑动所产生的变形是黄土发生湿陷的根本原因,而黄土中的胶结物以附于碎屑颗粒或团聚体等骨架颗粒表面的黏土矿物为主。黄土中有多种黏土矿物,由于各种黏土矿物的水理性质不同,对黄土湿陷性的影响亦各有不同,因此在某种程度上黏土矿物成分及其所占比例能够反映黄土的湿陷性。本文通过对延安地区不同深度黄土中的主要矿物元素进行能谱分析,建立了质量守恒方程组。把该方程组问题转化为最优化问题——线性规划标准形问题,采用数学规划问题中的单纯形法来计算矿物构成,分析了延安地区黄土中主要黏土矿物的含量,结合化学分析测试结果对该方法的可行性进行了探讨。结果表明:本方法计算精度满足要求,是一种行之有效的测定黄土中黏土矿物含量的途径,该方法最大的优势在于数据获取便捷,可实现SEM环境下的即时定点定量分析。     

杀菌黏土矿物的研究进展与前景展望

黏土矿物具有特殊的层状结构与吸附性强、表面活性高、层间可交换阳离子丰富等理化特征,已被广泛应用于工业材料制造及环境修复等领域。而在医学领域,传统抗生素的滥用导致细菌的耐药性不断增强与全球流行,引发医学界对于现存抗生素有效性的担忧,开发新型杀菌药物迫在眉睫。尽管历史上已有黏土矿物缓解伤口脓肿、治疗消化不良及关节炎等病症的记载,现代分析技术的进步才使得研究者能够对黏土矿物及其杀菌机理进一步研究,从而深入挖掘其作为抗菌药物的潜在医学价值。近年来,国内外研究学者先后报道了黏土矿物自身广谱的杀菌能力,并指出其杀菌活性与矿物溶出的金属离子、其片层结构中赋存的活性铁、黏土表面带电性以及产生的活性氧基团(reactive oxygen species, ROS)等相关。另一方面,黏土矿物作为药物分子载体,可以增强杀菌药物的物理性能与杀菌活性,被广泛用于制备复合杀菌材料。本文综合近年来国内外研究团队对医药黏土的杀菌能力、过程与机理研究,探讨常见黏土矿物具备杀菌活性的必要条件与共性特征,简述黏土矿物作为有效载体所制备的杀菌材料,指明当前医药黏土矿物研发过程中存在的问题,为今后医药黏土研发提供些许建议。     

纳米矿物-水溶液界面过程

在地球环境中普遍存在的纳米矿物-水溶液界面对许多基本的地球化学过程都至关重要,因而是纳米地球化学的前沿核心研究领域.简要介绍了纳米矿物-水溶液界面领域的基本概念和近期研究进展.举例描述了纳米矿物团聚、吸附、溶解和化学反应等几个相互关联的主要过程,具体阐述了纳米矿物自身特征（如组成、结构、尺寸、形貌、表面保护剂等）以及环境介质条件（如pH、离子强度、化学反应物质、天然有机质浓度和组成、微生物、光辐射等）对纳米矿物-水溶液界面过程的影响规律和微观机制.针对本领域发展面临的机遇和挑战,为未来的研究方向提出了一些设想和建议.      

矿物界面作用与环境工程材料

矿物水界面作用是环境地球化学研究的基础,它控制着世界淡水质量、土壤发生与发展、表生地质作用中元素迁移与富集等过程,是矿物环境工程材料的理论基础［１］。这是因为矿物水界面作用发生于矿物表面,许多环境工程材料是通过材料表面吸附（或共沉淀）作用去清除水...     

黏土矿物组构对水化作用影响评价

泥页岩水化过程中黏土矿物起着主要的作用,但目前还缺少相关的定量描述研究。为此,利用SEM、X-粉晶衍射技术,对采自不同地区的泥岩和板岩在干燥状态、不同浸泡时间后的微观结构和含量进行分析及研究,分析黏土矿物的组构随浸泡时间的变化过程,并定量地分析其对水化过程的影响规律,研究泥页岩的软化过程。研究认为,（1）泥页岩、板岩中影响水化过程的内在因素是蒙脱石、高岭石、绿泥石和伊利石等黏土矿物的含量;（2）黏土矿物定向排列时水化作用效果较无序排列时的明显;（3）泥页岩的水化作用是一个渐进的过程,即在水化过程中流体介质首先使表面的黏土矿物软化,产生掉块;随着时间延长,流体沿裂缝、层理面向岩石内部渗透,黏土土矿物发生膨胀;无围岩限制作用时坍塌掉块持续发生;（4）泥浆中加入一定的无机盐有助于抑制水化过程的发生;压力增加将抑制水化过程的产生;温度升高则能促进泥页岩的水化过程。     

矿物的界面形状与单体解离

矿物的界面形状与单体解离周乐光（东北大学，沈阳１１０００６）关键词矿物界面形状单体解离矿物，特别是有用矿物的单体解离，是选厂粉碎作业的一项基本目标，是确定最佳磨矿细度的重要依据。用于该项作业的能耗，占选厂全部作业的５０％～８５％。物料在可选粒度范围内...     

东北地区上古生界泥质岩石共存黏土矿物

利用电子显微镜(JSM- 6700F)配合能谱仪(INCA),进行了黏土矿物显微形貌和微区成分的研究.自生伊利石和绿泥石通常片径为1～3 μm,边界平直;碎屑(次生或原生)伊利石和绿泥石一般片径＞3μm,呈不规则的片状集合体形态.在化学成分上自生、碎屑伊利石和绿泥石基本一致.共存黏土矿物出现的几率和相对质量分数研究表明...     

泥质岩成岩作用中的黏土矿物研究

文章通过对泥质岩的黏土质矿物组分、成岩作用中黏土质矿物变化综合研究,认为泥质岩中存在大量黏土矿物,且泥质沉积物由松散到固结成岩实质上是黏土矿物组成的变化。泥质岩中主要黏土矿物包括高岭石、蒙皂石、绿泥石、伊利石以及其组成的混层型矿物伊利石/蒙皂石、绿泥石/蒙皂石,其成岩过程可划分为成岩早期的压实阶段、成岩晚期的黏土矿物转化阶段。压实阶段的泥质沉积物中黏土矿物具有物源的继承性、沉积水体古环境指示意义;受压实作用孔隙水、层间水被排出,原生絮凝团被压破,使片状质点趋于平行排列,黏土矿物与孔隙水发生反应,亦形成少量的新生作用矿物,因而黏土矿物具继承源和新生作用源特性。成岩晚期阶段发生层间水释放及层间阳离子交换,从而使得矿物晶体结构与成分发生变化,主要表现为一元黏土矿物向二元混层型转化,最后再到一元型黏土矿物的转化,最终形成转变源黏土矿物。     

极限学习机在黏土矿物分析中的应用

对鄂尔多斯盆地苏里格北部上古生界盒8段低渗透储层研究发现,成岩作用是控制气藏分布的主要因素之一,而黏土矿物又影响着成岩作用类型及强度,在成岩作用划分中具有重要指示作用.本研究尝试利用自然伽马能谱测井结合神经网络（极限学习机）准确计算储层中黏土矿物含量,为全井自动成岩作用识别提供支撑.在黏土矿物分析过程中,为避免测井信息受岩石骨架颗粒成分差异的影响,针对研究区沉积的岩屑砂岩和岩屑石英砂岩分别建立黏土矿物分析神经网络,提高计算精度.神经网络采用了参数不易陷入局部最优的极限学习机,保证了分析结果的速度和稳定性.在此基础上,利用苏里格北部地区上古生界盒8段15个X衍射分析样本,将分岩性计算结果与及未分岩性分析结果进行比较,证明了方法的有效性.     

陕西渭河中下游流域黏土矿物分布特征分析

利用土地质量地球化学调查的7种氧化物数据,对陕西渭河中下游流域内的黏土矿物进行能谱分析,建立了质量守恒方程组,将求解黏土矿物含量问题转化为求解线性规划最优解,以研究黏土矿物分布特征。结果显示:该方法简单易行,准确性较高;土壤发育处于幼年—中间阶段,主要黏土矿物是伊利石、蒙脱石、高岭石,次要黏土矿物为蛭石、绿泥石,其含量因地貌类型而不同,体现不同的风化过程。其中,渭北台塬以黑云母-绿泥石-蛭石为主;中低山区以长石-伊利石-蒙脱石-高岭石为主;秦岭北缘由2种风化过程共同作用而成;河谷区域则是2种风化过程均较弱。此外,黏土矿物分布特征还综合反映了土壤类型及其性质,标识了不同地史时期的冷干和暖湿古气候的交替变化。     

黏土矿物污染控制材料及其高效利用

黏土矿物具有特殊的纳米片层结构、含可交换性层间阳离子、微观结构及表面物理化学性质易调控;因此,黏土矿物及其改性产物对多种环境污染物有良好的吸附/催化性能,在污染控制领域有良好的应用前景。近年来,课题组以蒙脱石和层状双金属氢氧化物(LDH)为代表,研究了它们在污染控制领域的资源利用:1)研究了蒙脱石、LDH、LDO(LDH煅烧产物)对染料分子的吸附特征,发现它们对染料分子的吸附性能可优于活性炭;通过碳化处理废弃黏土矿物的方法,制备了系列类石墨烯纳米碳材料及多孔碳材料,所得碳材料显示了良好的电催化性能或吸附性能。2)研究了蒙脱石对重金属离子的吸附特征,并通过热处理实现了重金属离子的层间域/片层结构内的原位锁定。3)研究了羟基金属改性蒙脱石对重金属离子和含氧酸根的协同吸附机制,并发现吸附产物(如吸附了磷酸根和Cu2+的羟基铁柱撑蒙脱石)可用于光催化降解有机污染物。4)综合运用实验研究和分子模拟技术,研究了有机改性蒙脱石对疏水性有机污染物的吸附机制,发现表面活性剂堆垛密度是决定有机黏土吸附性能的关键因素,并采用阳离子聚合物来调控层间域表面活性剂堆垛密度,优化了有机黏土吸附性能。5)采用阳离子表面活性剂和羟基金属共同插层的方法,制备了有机-无机复合蒙脱石,发现了其能同时吸附有机物和含氧酸根离子。课题组的研究工作综合运用了实验研究和分子模拟,包括了基础理论研究和应用研究,涉及了黏土矿物及其改性产物的吸附、催化性能,并探讨多种废弃黏土矿物的资源回用技术。研究结果对实现黏土矿物在污染控制领域的高效资源利用提供了新信息。     

超压背景下黏土矿物转化的优化模型

在黏土矿物转化的化学动力学模型中,大多数模型只考虑了温度、时间和流体介质的影响。然而,最近的一些研究表明,超压抑制黏土矿物的转化。考虑到超压对黏土矿物转化的抑制作用,建立了超压背景下黏土矿物转化的化学动力学模型,并用最优化方法确定了超压抑制因子,从而使伊/蒙混层中蒙皂石层质量分数模拟值与实测值的误差达到最小。为检验其合理性,将该模型分别应用于一个新生代盆地和一个中生代盆地。模拟结果表明:在超压地层中伊/蒙混层中蒙皂石层质量分数的模拟值与实测值吻合较好,在压力系数为1.2～1.7的地层中,超压对伊/蒙混层中蒙皂石层质量分数的抑制可达15%～20%。     

黏土矿物古气候意义研究的现状与展望

系统地分析了利用海洋沉积物、古土壤、湖盆沉积物中黏土矿物进行古气候环境研究的现状、存在问题和发展趋势。海洋沉积物的物源范围广,影响因素复杂,其中的碎屑黏土矿物所指示的古气候参数只能用于解释母源区的气候变化,而只有自生黏土矿物才能指示沉积区的气候;古土壤形成于特定的地质背景条件下,尤其是发育于火山物质母岩之上的风化自生黏土矿物,可以准确地指示该区的古气候条件;湖盆沉积物的物源范围小,沉积物中的黏土矿物可以更有效地运用于古气候环境的分析。对于沉积物中黏土矿物来源的分析,可以借助晶体中cv空位和tv空位的精细结构特征进行判断;在风化改造的红土剖面研究中,因强烈的化学风化、淋滤和迁移,黏土矿物方法具有独特的优势。风化过程中形成的一些亚种或过渡性黏土矿物,以及同生沉积过程中形成的黏土矿物,对气候环境的变化更加敏感,应加强这方面的研究。此外,在造山带的气候环境演化研究中,自生黏土矿物稳定同位素可以更可靠地指示气候环境的变化。     

黏土矿物界面吸附Fe(Ⅱ)耦合对邻硝基苯酚还原转化的增强机理研究

系统考查了Fe(Ⅱ)分别与高岭石、蒙脱石结合的界面结合系统对邻硝基苯酚(简称2-NP)的还原转化作用。研究表明,矿物表面结合态Fe(Ⅱ)能够有效提高2-NP的还原转化速率,2-NP的还原反应符合伪一级反应动力学方程,而且速率常数(k)随溶液p H值、亚铁离子初始浓度以及反应温度的升高而显著增大。当温度25℃,p H值6. 7,Fe(Ⅱ)和2-NP初始浓度分别为3. 0 mmol/L、0. 022 mmol/L,以及黏土的投加量为4. 0 g/L时,Fe(Ⅱ)/高岭石系统对2-NP的还原转化率在4. 0 h内可达到100%。同样,p H值从6. 0升高至7. 3时,Fe(Ⅱ)/蒙脱石系统对2-NP的还原转化也显著增强;但在较低p H值和较低初始Fe(Ⅱ)浓度时,蒙脱石对Fe(Ⅱ)的还原催化性能不如高岭石,可归因于蒙脱石具有较高的离子交换性能。因此,Fe(Ⅱ)在上述两种矿物上吸附形态的差异是导致该系统对2-NP还原转化出现不同效应的根本原因。