贝得石/溶液界面金属离子共吸附机制的分子动力学研究

【作者】 杨森； 杨刚；

【机构】 西南大学资源环境学院土壤多尺度界面过程与调控重庆市重点实验室；

【摘要】 离子的吸附/解吸是发生在粘土矿物/水界面基础而又普遍的过程之一。离子吸附性能是衡量土壤矿物性能的一个关键性指标,也与土壤中众多的物理和化学过程息息相关。粘土/溶液界面的吸附不仅深刻影响着土壤矿物的溶解和团聚、表面沉淀、离子交换和催化反应性能,还在很大程度上决定着营养元素的吸收与利用以及水分和污染物在土壤系统中的迁移和运输。因此,深入研究粘土/溶液界面的离子吸附行为与机制,有助于我们理解土壤矿物质的吸附等各方面性能、阐明土壤中真实的离子吸附行为及特性,同时对于治理全球性的环境污染问题以及维持生态可持续发展等方面都具有重要的科学意义。本文运用分子动力学模拟的方法,在分子尺度上研究双金属离子在贝得石/溶液界面的共吸附及竞争机制,进一步分析了电解质组成、电场强度和表面电荷位置对离子吸附行为的影响。我们的研究工作表明,不同双金属离子在贝得石/溶液界面的共吸附表现出不同的特性,如Na～+和Cs～+离子对于表面吸附位点的竞争影响了两者的吸附稳定性和吸附数量,且两者在贝得石表面会表现出显著的Na～+> Cs～+选择性序列;Pb～(2+)和Na～+离子在贝得石表面的吸附表现为此消彼长的趋势,且电场强度显著影响了两者的吸附序列,在高电场条件下为明显的Pb～(2+)>Na～+序列,而在低电场条件下为Na～+>Pb～(2+)序列;此外,Pb～(2+)离子的存在抑制了Ca～(2+)的吸附,而共存的Ca～(2+)离子抑制了Pb～(2+)离子的内圈吸附,促进了Pb～(2+)离子的外圈吸附,它们在贝得石表面的吸附表现为Pb～(2+)> Ca～(2+)的选择性序列,且在较高的电场强度下选择性序列更明显。显然,矿物表面电场的存在会使金属离子在贝得石/溶液界面的共吸附更加有利,其吸附选择性也会更加显著,双金属离子的吸附结果也表明表面电场是粘土体系严重受到重金属离子污染的根本原因。同时,我们将贝得石/溶液界面双金属离子的吸附行为与蒙脱石/溶液界面比较,结果表明受表面电荷位置的影响,四面体发生同晶替代的贝得石会显著提高金属离子的吸附容量和稳定性,而且双金属离子在贝得石表面的共吸附会表现出更加明显的吸附选择性。实验结果对于理解真实土壤体系中混合离子的吸附行为以及重金属及放射性离子污染的治理具有重要的意义。更多还原