基于仿真技术的化学掺杂磷石膏和微波热活化高岭石晶体表面杂化特征研究

发布时间：2017-08-11 08:15

  本文关键词：基于仿真技术的化学掺杂磷石膏和微波热活化高岭石晶体表面杂化特征研究

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【摘要】：磷石膏及煤矸石固体废弃物的大量堆积对环境造成不良影响,但是对于磷石膏及煤矸石固体废弃物的利用还有待发展,其主要原因在于磷石膏及煤矸石中存在的石膏晶体和高岭石晶体存在状态不足以运用于工程当中,因此本文从晶体学出发,运用分子动力学及密度泛函理论对磷石膏及煤矸石进行了模拟研究分析,以期为磷石膏及煤矸石固体废弃物的资源化利用提供新的技术思路。为了研究媒晶剂在石膏晶体转晶过程中的作用,同时也为了探讨计算机模拟在研究过程中的应用,本文利用吸附能模型计算了石膏晶体晶型以及主要晶面的附着能,同时模拟了柠檬酸、乙二胺四乙酸和苯基甘氨酸三种媒晶剂与石膏晶面(12-1)和(011)反应,得出了媒晶剂与石膏晶面的吸附能及媒晶剂的最佳组合方式。利用扫描电子显微镜对实验所得石膏晶型进行了分析,并测得不同媒晶剂作用下磷石膏抗折抗压强度。研究发现,实验所得结果与计算机模拟所得结果基本一致,掺有相关媒晶剂的磷石膏抗折抗压强度最大分别为3.64和7.35 MPa。运用CASTEP模块对柠檬酸吸附于石膏晶体表面的空间结构、电子结构、络合吸附机理进行了理论探索,基于密度泛函理论的第一性原理优化了CaSO4(010)晶面结构,计算了晶面与柠檬酸反应吸附能。通过对柠檬酸吸附方式的假设和计算,发现最佳吸附方式为柠檬酸羧基结构中的H原子被晶面(010)上的钙原子的垂直吸附。吸附机理主要表现为柠檬酸中羧基的H原子1s轨道中的电子向晶体表面(010)上Ca原子的3d轨道发生了转移,从而形成杂化轨道。基于密度泛函理论的第一性原理优化了CaSO4(100)、(010)和(110)晶面结构,计算了晶面与CH2O2反应吸附能,得出(010)晶面能量最低,吸附最为稳定,发生了化学吸附。通过对CH2O2吸附方式的假设和计算,发现最佳吸附方式为CH202分子C=O结构中的氧原子被晶面(010)上的钙原子的垂直吸附,且为化学吸附。吸附机理主要表现为CH2O2中羧基的O原子的2p轨道和H原子1s轨道中的电子向晶体表面(010)上Ca原子的3d轨道发生了转移,从而形成杂化轨道。利用分子动力学对高岭石脱水过程进行模拟,利用密度泛函理论分析其脱水机理。结果表明,在300K-600K之间高岭石并未发生明显变化,在700K之后高岭石中A1原子配位数逐渐降低,H原子配位数逐渐增高,高岭石X射线衍射图显示氧化铝相对含量逐渐增高,高岭石发生脱水反应。脱水机理为在温度影响下A1原子的3p轨道中部分电子向相键连的羟基中O原子的2p轨道发生转移,使得Al-OH键活化,经活化羟基中O原子的2p轨道与相邻羟基中H原子的1s轨道形成杂化轨道。
【关键词】：磷石膏 煤矸石 密度泛函理论 分子动力学理论 晶体表面特性
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X781.3;X752
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-21
• 1.2.1 磷石膏转晶国内外研究现状13-15
• 1.2.2 高岭石热活化研究现状15-18
• 1.2.3 材料仿真研究现状18-21
• 1.3 本文研究内容、创新点和技术路线21-24
• 1.3.1 本文研究内容21-22
• 1.3.2 本文创新点22-23
• 1.3.3 本文技术路线23-24
• 第二章 材料科学仿真技术简介24-28
• 2.1 分子动力学计算软件25-26
• 2.2 量子力学计算软件26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 媒晶剂对磷石膏晶体转晶作用的分子动力学研究28-56
• 3.1 分子动力学理论28-35
• 3.1.1 势函数29-32
• 3.1.2 系统32-35
• 3.2 晶体理论35-40
• 3.2.1 晶核的形成35-36
• 3.2.2 晶体形成方式36-37
• 3.2.3 晶体生长理论37-38
• 3.2.4 晶体生长影响因素38-39
• 3.2.5 晶体的相变39-40
• 3.3 媒晶剂对磷石膏晶体转晶研究40-54
• 3.3.1 计算理论41-50
• 3.3.2 原理分析50-51
• 3.3.3 实验验证51-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第四章 化学掺杂磷石膏和微波热活化高岭石晶体表面杂化特征研究56-102
• 4.1 密度泛函理论56-65
• 4.1.1 哈特里-福克定理58-59
• 4.1.2 Hohenberg-Kohn定理59-61
• 4.1.3 Kohn-Sham方程61-62
• 4.1.4 局域密度近似62
• 4.1.5 态密度62-65
• 4.2 热力学基础65-67
• 4.2.1 焓与焓变65
• 4.2.2 自发过程65-66
• 4.2.3 熵66
• 4.2.4 Gibbs自由能66-67
• 4.3 化学掺杂羧基的磷石膏晶体表面杂化特性研究67-73
• 4.3.1 计算方法和结构模型67-68
• 4.3.2 结果与分析68-73
• 4.4 化学掺杂CH_2O_2的磷石膏晶体表面杂化特性研究73-82
• 4.4.1 计算方法和结构模型73-75
• 4.4.2 结果与讨论75-82
• 4.5 煤矸石中高岭石脱水的机理仿真研究82-99
• 4.5.1 分子动力学模拟82-90
• 4.5.2 密度泛函研究90-99
• 4.6 本章小结99-102
• 第五章 结论与展望102-104
• 5.1 结论102-103
• 5.2 展望103-104
• 致谢104-106
• 参考文献106-118
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文118

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本文编号：655053