《重金屬離子在蒙脫石邊緣面的絡合機理的計算研究》是依託南京大學，由劉顯東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：重金屬離子在蒙脫石邊緣面的絡合機理的計算研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉顯東
- 依託單位：南京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
重金屬離子在蒙脫石邊緣面的絡合在重金屬的遷移和富集過程中起著關鍵性作用，對這些絡合作用在微觀層次上的定量化認識對了解重金屬的地球化學行為和開發有效的環境礦物材料具有重要意義。粘土礦物界面過程的複雜性使得傳統的實驗和理論方法難以提供定量、分子尺度上的信息。在對這些界面作用的化學本質進行充分剖析的基礎上，結合自身在粘土表界面微觀結構、酸度和金屬離子表面絡合方面的研究積累，本項目提出引入量子力學分子動力學方法以及相關的自由能計算技術，主攻“重金屬離子在蒙脫石邊緣面的絡合機理”這一關鍵科學問題。計畫選取Cd2+和Ni2+作為典型金屬離子，研究它們在蒙脫石邊緣面的絡合位置、絡合結構和自由能，進而通過酸度計算確定出絡合物在一定pH條件下的質子化狀態，並進一步探索重金屬離子表面沉澱初始階段的微觀機理。為從微觀層次上認識粘土的表界面礦物學提供基礎數據，也為今後相關的實驗、理論研究和實際套用提供基礎和模型。
結題摘要
本課題採用基於第一性原理的原子模擬方法系統研究了重金屬離子與粘土礦物邊緣面的微觀相互作用機制，首先查明了過渡金屬離子、鈾醯離子在邊緣面上的絡合機理包括絡合位點、絡合結構及熱力學穩定性。結果表明，重金屬離子在粘土邊緣面的絡合取決於其離子半徑，大部分離子包括Ni、Cu、Co、Fe等優先絡合到八面體空位，其原因在於這些離子能夠嵌入到晶格中，而較大的離子如Pb2+、鈾醯則不能進入八面體空位，它們對不同表面位點的結合能力相當。在此基礎上，我們進而揭示了過渡金屬離子在粘土礦物邊緣面發生成核結晶的微觀機理，揭示了表面晶體化學特徵對過渡金屬離子誘導成核的制約機制：能夠嵌入表面晶格的離子可以發生絡合-水解-多核絡合-成核；不能進入表面晶格的金屬離子可發生表面絡合，但難以水解，因此不能成核結晶。另外，我們明確了流體中Si對反應機理的影響，發現存在Si的情況下，同步式路徑為優先發生的表面成核反應路徑。該研究不僅推動了粘土礦物科學的基礎研究，也為認識重金屬元素在環境中的遷移及富集提供了數據和模型。
