低温条件下盐湖卤水体系中离子团聚特征与介稳相性质及离子缔合物种分配规律的研究

The study of ion association of lake brines at low temperatures is the key issue for a series of problem, such as, the characteristics and distribution of ion associated species, structural characteristics in meta-stable solutionphase and salt forming regularity under low temperatures. In this project, ion association characteristics, and the effects of ion association characteristics on the aggregation processes of some ion clusters before nucleation, the formation of metastable solution phase and the distribution of ion associated species will be symestically investigated. Ion association characteristics in some lake brines will be explored using classical molecular dynamics (MD) method and some experimental measurements such as attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy. QM/MM simulation method will be improved to investigate the hydration nature of some ions and ion clusters under various conditions, combined with CPMD and Helmholtz free energy calculations, and thus the ion association characteristics and the reason of meta-stable ion cluster existed in supersaturated solutions will be revealed. Combined quantum chemistry method and ion-attraction theory, a new approach about free energy of ion associated species in mixed saline systems will be proposed, and thus the distribution rules of some typical ion association species will be explored. In this project, ion association characteristics and the reason of meta-stable ion cluster existed in salt solutions will be revealed, and the influence of ion association on some key processes before nucleation, the formation of meta-stable solution phase and the distribution of ion associated species, and results about species distribution and salt forming regularity under low temperatures will be obtained. Results of various investigations will provide theoretical suggestions and instructions for synthetically exploiting of brine resources.

离子团聚是研究盐湖卤水体系中离子缔合物种结构特征与分配规律以及低温下卤水成盐规律等一系列问题的关键。项目拟研究低温条件下一些典型盐湖卤水体系中离子团聚特征与离子团聚性质对缔合物种分配、成核前的团聚关键步骤与介稳相形成的影响。结合经典分子动力学模拟与衰减全反射红外光谱等方法研究盐湖卤水体系中离子团聚特征。完善QM/MM模拟方法研究盐水溶液中离子或离子团簇水合壳层的动态结构特征，并结合从头算动力学模拟与Helmholtz自由能计算，揭示介稳离子团簇结构特征与稳定存在的原因。结合量子化学方法与经典离子互吸理论研究多元氯化物盐水溶液中缔合物种自由能的计算方法，探讨一些主要缔合物种的分配规律。项目将探讨一些盐水溶液中成核前的离子团簇结构特征与稳定性，探究离子团聚特征对成核结晶关键步骤与介稳相的形成以及物种分配的影响，获得低温条件下的卤水物种分配与成盐规律，为盐湖卤水的综合开发提供理论支持。

我国盐湖矿产资源丰富，其高效利用具有重要意义。我国西部全年结冰期长，可充分利用冬季冷能资源开发盐湖资源。研究卤水体系低温下的物理化学性质，弄清楚一些典型过饱和卤水体系中离子团聚特征与稳定存在的原因以及离子团聚过程，这将有助于更好地认识低温下卤水的成盐规律和卤水体系性质的规律，为卤水盐类分离提取新工艺和新技术提供创新思路和科学依据。离子缔合与团聚结构是盐湖卤水体系中物种结构特征与分配规律以及低温下卤水成盐规律等一系列问题的关键。项目研究显示，虽然镁锂的性质相似，但是成盐结晶过程中MgCl2和LiCl团聚特征仍存在较大差异，MgCl2的成盐结晶过程中间接缔合的团聚起主要作用，而LiCl的成盐结晶过程中直接缔合的团聚起主要作用。Mg2+、Li+与Cl−缔合过程中水合作用存在差异、受温度影响的性质相反。研究结果从微观角度解释了MgCl2溶液中的成核结晶遵循经典成核机理，总结了影响镁锂复盐形成的微观结构特征与条件，为镁锂分离的提纯工艺优化奠定了理论基础。项目通过对溶液中CaSO4、MgSO4、CaCO3的团聚性质与水合壳层性质的系统研究，揭示了CaSO4、CaCO3的沉淀与结晶过程中关键步骤，以及成核过程中两种典型缔合结构的不同作用与水分子动态性质的重要作用，尤其是阳离子第二水合壳层中水分子动态性质，相关结果为沉淀与成核结晶以及生物矿化研究奠定了基础。研究揭示了高配位氯化物结构水合壳层的保护作用与微观机制，尤其是水分子的动态分布与壳层之间的重叠效应在这些物种的重要作用。项目还研究分析了多种铁基材料与As(V)物种之间的吸附，揭示了水相中铁基材料对As(V)物种的吸附机理。由于活性位点的水合弱，铁凝胶通常具有更好的吸附作用，铁盐除砷通常是沉淀机制和吸附机制共同作用的结果，但是吸附作用起主导作用。研究结果表明对于工业上污酸废水的除砷应尽可能地在中性环境下才能使铁盐除砷达到较高的去除效率。