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水分子在伊利石表面的吸附作用机理分析
作者:网站采编关键词:
摘要：伊利石是影响煤炭浮选效果的主要粘土型矿物，在水中极易泥化，形成大量的带有负电荷的粘土颗粒，且具有强亲水性，易吸附水分子，在颗粒表面形成水化层，降低浮选效率，消耗大
伊利石是影响煤炭浮选效果的主要粘土型矿物，在水中极易泥化，形成大量的带有负电荷的粘土颗粒，且具有强亲水性，易吸附水分子，在颗粒表面形成水化层，降低浮选效率，消耗大量浮选药剂，因此，研究伊利石与水分子的吸附具有重要意义。
随着分子动力学与量子化学的兴起，当前在探究矿物水化吸附机理上被广泛应用。王进等[1-3]通过动力学模拟分析了钠蒙脱石的水化膨胀与层间结构特征；Wang 等[4]应用分子动力学模拟云母表面水化膜的形成；Kerisit 等[5]通过分子动力学模拟了正长石的水化过程，得到了扩散系数的变化规律；陈攀等[6]研究了季铵盐在高岭石（001）面的吸附；Alvin 等[7]使用第一性原理研究了蒙脱石（001）面，发现含有的羟基对水分子吸附有着明显作用；彭陈亮等[8-9]研究了水分子在蒙脱石表面的吸附，解释了吸附主要是由静电相互作用产生；Long 等[10-11]使用DFT 模拟了水分子对黄药在闪锌矿与方铅矿上吸附位点的影响；韩永华等[12-13]研究了羟基钙离子对硅酸钠药剂在高岭石表面的吸附影响，确定了其吸附机理；何满潮、方志杰等[14-15]通过掺杂Fe/Mg/Al 等对蒙脱石的晶胞进行了研究；Bains 等[16]对粘土矿物水化膨胀进行了分子动力学模拟；Zhu 等[17]对TCDD 在蒙脱石上的吸附进行了动力学模拟；Zhao 等[18]利用量子化学模拟了Cu、Pb、Ni 和Hg 在高岭石表面的吸附构型；Michalkova 等[19]研究了有机小分子在高岭石表面的吸附构型。
为了解释水分子在伊利石表面吸附机理，本文选择从微观层面，使用Materials Studio 软件，预测了水分子的初始吸附位点，确定了稳定吸附构型，可视化的展示了水分子吸附位置，研究了水分子吸附前后的伊利石表面分子静电势变化，通过态密度与布居分析说明了水分子的吸附机理。
1 模型选择优化与计算
1.1 模型优化
伊利石是一种类似于云母的层状结构的粘土矿物，属于单斜晶系的硅酸盐矿物，文章选择由Drits 与Zviagina 构建的伊利石原胞模型[20]，呈现2:1 型结构单元层的二八面体型，其中上下层均是铝、氧和硅形成的多面体，中间层是由钾离子填充，以补充晶胞中的阳离子，沿Z 轴方向的晶胞单元，含有Al-O-Si-O-K-O-Si-O-Al 共9 层原子，价电子分别是Al 3s23p1、O 2s22p4、Si 323p2、K 4s1。
通过Materials Studio 软件中的CASTEP 模块对原胞和水分子（水分子置入 15×15×15×15×10-3nm的晶胞中）进行几何优化，采用梯度泛函(GGA)的PBE 模块进行优化计算，使用Grimme 消除色散力影响，截断能选择340 eV，k 点选择Gamma，设置自洽场的收敛精度为 2×10-6eV/atom，设定几何优化标准：原子之间的最大作用力0.05 eV/A，原子之间的最大应力0.1 GPa，体系的能量变化 2×10-5eV/atom，优化后的结构见图1、2。
图 1 优化后伊利石主视Fig .1 Optimized illite main view
图 2 优化后伊利石俯视Fig .2 Optimized illite top view
对优化后的伊利石晶胞，使用Materials Studio软件中的Cleave Surface 模块对优化后的伊利石沿001 切分，切分面分为含有钾离子（IN-K-001）与不含钾离子（None-K-001）两个表面，为了消除周期性的边界影响，各添加3 nm 的真空层。
1.2 伊利石表面静电势
静电势适合用于分析由静电主导的弱相互作用，可以定性了解体系哪个部位更易发生静电相互作用。分子表面不同区域的静电势大小可以通过不同颜色来体现，分子之间易以静电势互补相结合，即一个分子表面静电势正值区域倾向于接触其他分子表面静电势负值区域，且数值反差越大，相互作用越强，这样能最大程度降低整体能量。
通过Multiwfn[21]软件可以计算出分子表面静电势的极大值点与极小值点的位置和数值，根据位置信息可以预测相互作用的位点，而数值可以判断静电相互作用强度，可以进行定量分析，其中青色代表极小值点，橘色代表极大值点。见图3、4。
图 3 IN-K-001 面表面静电势Fig .3 IN-K-001 surface electrostatic potential
图 4 None-K-001 面表面静电势Fig .4 None-K-001surface electrostatic potential
1.3 水分子吸附位点预测
使用Adsorption Locator 模块对水分子在伊利石001（001）面的较佳吸附位点进行模拟计算，得到水分子初始吸附位点，见图5、6。
图 5 IN-K-001 面吸附位点俯视Fig . 5 Top view of the IN-K-001 surface adsorption site
图 6 None-K-001 面吸附位点俯视Fig .6 Top view of the None-K-001surface adsorption site
2 结果分析
2.1 吸附能计算
文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/qikandaodu/2021/0708/650.html