粘土矿物吸附重金属机理的第一性原理研究

According to the serious problem of heavy metal pollution in Guangxi, clay minerals are one of the effective ways in heavy metal pollution control because of their excellent absorption properties. One of the fundamental questions is to fully understand the heavy metal ion absorption mechanism of clay minerals. The objective of this proposal is to employ first-principles electronic structure calculations to study the heavy metal adsorption mechanism of clay minerals. More specifically, the proposed research will investigate the electronic structure of.clay minerals, the heavy metal ion adsorption properties of surface/interlayer/substitution in clay minerals, and the diffusion properties of.heavy metal ion in clay minerals. The ab initio calculations will elucidate the underlying mechanism of heavy metal ion absorption in clay minerals and the microscopic principles which heavy metal ion interact with clay minerals. Furthermore, it will provide the theoretical basis for further research on the problem of heavy metal pollution in Guangxi. This proposal will not only provide theoretical support for the enhancement of development and application of clay minerals in Guangxi, but will also provide a new path to resolve the problem of.heavy metal pollution in Guangxi, which has both fundamental academic and practical significance.

针对广西严重的重金属污染问题,利用粘土矿物良好的吸附性能治理重金属污染是目前的有效途径之一。其中的一个关键问题是全面理解粘土矿物对重金属离子的吸附机理。本项目采用第一性原理计算方法重点探索粘土矿物对重金属离子的吸附机理，具体内容包括：粘土矿物的能带结构、电子结构，粘土矿物表面、层间、离子置换对重金属离子的吸附特征以及重金属离子在粘土矿物的扩散行为。研究结果将揭示粘土矿物对重金属离子的吸附特征以及重金属离子与粘土矿物相互作用的微观机理，并为进一步研究广西重金属污染问题提供理论支持。通过本项目的研究不仅促进广西粘土矿物理论研究和应用，而且为解决广西重金属污染问题提供一条崭新的途径，具有重要的学术和现实意义。

针对广西严重的重金属污染问题,利用粘土矿物良好的吸附性能治理重金属污染是目前的有效途径之一。其中的一个关键问题是全面理解粘土矿物对重金属离子的吸附机理。项目采用第一性原理计算方法重点探索粘土矿物对重金属离子的吸附机理，主要研究内容包括：.1）研究了粘土矿物蒙脱石的电子结构、能带结构，研究蒙脱石高应力下能带结构、电子结构的变化。.2）对粘土矿物蒙脱石的表面、层间、离子置换对重金属离子的吸附特征进行了吸附模拟研究。.3）进行了粘土矿物的金属离子置换吸附，对Pd,Zn,Cr等重金属离子的吸附能进行了计算，并且进行对比。.4）对蒙脱土进行了对污染气体的吸附特性研究，发现蒙脱土吸附气体后的膨胀规律。同时，研究在不同蒙脱土用量、溶液浓度、溶液pH条件下各改性蒙脱土对溶液中金属离子的去除率。.重要结果和关键数据：.蒙脱石中氢氧键均为0.98 Å，铝氧键比硅氧键要长；随着应力的增加，蒙脱石中的Al-O和Si-O键长显著减小，H-O键长几乎不变，且随着应力的增加，体积逐渐减小且四面体形状发生不规则改变，在应力P=0Gpa时，价带顶（VBM）位于L点，导带底（CBM）位于G点，能带结构为间接带隙，当应力P=33.2Gpa时，转变为直接带隙，价带顶和导带底都位于L点，此外，当应力增加到39.2Gpa，能带又转变为间接带隙。对重金属的吸附形式中，表面吸附效果最好，并且表面吸附中最稳定的为吸附重金属Cr和无机物污染物N。在阳离子置换吸附中，Al对Cr的置换吸附效果也是很好的。在表面气体污染吸附过程中，Na基蒙脱土的top位和bridge位是SO2气体分子的稳定吸附位点，吸附后SO2分子的O-S-O键角从119.50°减少到115.31°，而蒙脱土的原子键长没有明显变化。在层间吸附过程中，随着SO2分子吸附量的增加，吸附能逐渐减少，蒙脱土模型的体积和c轴方向同时呈线性增长。.研究结果揭示了粘土矿物蒙脱土对重金属离子的吸附特征，为进一步研究广西污染问题提供理论支持。通过本项目的研究不仅促进广西粘土矿物的理论研究和应用，而且为解决广西污染问题提供一条崭新的途径，具有重要的学术和现实意义。