探索蒙脱石的改性、除砷性能及水化过程的分子模拟

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1、天津大学硕士学位论文蒙脱石的改性、除砷性能及水化过程的分子模拟姓名：张帆申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：那平20070101中文摘要蒙脱石作为一种能够自然发生膨胀的粘土矿物，在很多工业过程发挥着重要的作用。本文从实验和模拟两方面开展研究，利用分子动力学方法模拟蒙脱石一离子一水体系的膨胀行为，为进一步理解蒙脱石的膨胀性质提供了有益的帮助；通过氟处理强化了钛柱撑蒙脱石的除砷性能，为蒙脱石的广阔应用提供支撑。第一，在前人模拟的基础上，本文采用分子动力学方法(MD)将含有一价／-价混合补偿离子的N

2、a／l垤g．蒙脱石(将少量M92十替代Na基蒙脱石中的Na+作为层间补偿阳离子)和Na．蒙脱石的进行对比研究，对蒙脱石一离子一水体系进行模拟，考察了层间含有不同补偿离子的蒙脱石的膨胀性质，进一步研究了层间物质的结构和运动行为，并探索了层间Na+和M矛+形成不同扩散行为的原因。模拟结果表明，在一定水含量范围内Na-蒙脱石和Na／Mg-蒙脱石表现出不同的膨胀形式，特别是在层间水分子数目在48"-72之间时，Na／Mg．蒙脱石的层间距比Na．蒙脱石有较为明显的增大。Na／Mg．蒙脱石两层水化物的层间水分子

3、与M92+形成了明显的两层水合壳：而与Na+只形成了一层平面的水合壳。在Na／Mg．蒙脱石中，Na+和M92+的扩散方式不同，Na+的扩散范围相对更广，自扩散系数更大。Na／Mg．蒙脱石比相同的水含量下的Na．蒙脱石层间水的自扩散系数小。[h于M93+和Na+对层问结构的强烈影响，使Na／Mg．蒙脱石与Na．蒙脱石表现出不同的膨胀性质和层问物质的不同扩散行为，因此，层间阳离子的种类和性质使蒙脱石的膨胀性和层间水的结构都产生了一定的变化。i第二，本文以开发对水体中微量砷有强吸附能力的材料为出发点，利用

4、四氯化钛为前驱物，成功制备了氟处理钛柱撑蒙脱石。通过X射线衍射，傅立叶转换红外光谱，差热与热重，X射线光电子能谱，透射电子显微镜及比表面积、孔隙度分析等手段对材料结构进行表征，并考察了氟处理钛柱撑蒙脱石对水体中微量砷酸根的吸附作用。实验结果表明，不同干燥方式和不同氟处理量制备得到的氟处理钛柱撑蒙脱石对砷吸附效果不同。干燥方式为自然风干，氢氟酸处理量为20ml的20HF．Ti。MMT形成了钛柱撑结构，材料中的锐钛矿型二氧化钛颗粒粒度分布均匀，结晶度好，材料颗粒均匀，晶型完整，具有良好的稳定性，由于比表

5、面积大和表面羟基含量多等特点对水体中的砷酸根有良好的吸附效果。制备材料中加入过量氟以及对材料的热处理温度升高，使得材料对水体中砷酸根的吸附能力下降。另外，吸附时间，介质pH值，光照强度及砷的初始浓度等因素对材料吸附砷酸根效果都有存在一定影响。关键词：Na(Na／Mg)．蒙脱石，水化，分子动力学模拟，氟处理，钛柱撑蒙脱石，砷酸根，吸附AbstractMontmorilloniteisanaturallyoccurringclaymineralthatexhibitsabilitytoswell．Itp

6、laysveryimportantrolesinmanyindustrialprocesses．Thisthesisfocusesontwomainaspectsofsimulationandexperiments．Moleculardynamicssimulationcanbeveryusefulinthestudyofthemontmorillonite-cations-watersystemforunderstandingtheswellingpropertiesofmontmorilloni

7、te．Titaniumpillaredmontmorillonitepreparedbyfluorinetreatinghaveeffectiveadsorptionofarsenateinwaterwhichprovideanewapplicationfieldofmontmorillonite．First，forabetterunderstandingoftheeffectofdifferentinterlayercountefionsontheswellingpropertiesofmontm

8、orillonite，theformersimulationshasbeeninvestigatedfurtherandMDhasbeenintroducedinthecomparativestudiesbetweenNa一／／Vlg—montmorillonite(asmallquantityofM92+replacesNa+asinterlayercounterionsinthemontmorillonite)，whichcontainmixedunivalent