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科研進展

武漢巖土所揭示了高嶺土在極低相對濕度環境下的水分子外表面吸附行為

發表日期:2023-11-08來源:武漢巖土力學研究所放大 縮小

  土壤水的吸附顯著影響土壤的物理和力學性質,該過程主要發生在黏土礦物-水界面上,且黏土礦物表面的不同官能團對水的吸附行為存在一定影響。因此研究黏土礦物表面水的吸附行為對于黏土-水相互作用機制的理解非常關鍵。

  武漢巖土力學研究所董毅研究員長期致力于包括黏土礦物微觀作用機理和非飽和土吸附在內的多相巖土介質力學與工程方面的研究。針對水在高嶺土外表面吸附行為這一課題,運用分子動力學和元動力學方法,基于提出的熱力學框架,研究了水吸附時基質勢能、吸附結構和吸附順序等性質。結果表明:高嶺土側面由于質子化和去質子化過程,相比基面具有更強的吸附特性(側面最低基質勢能可達 1.86 GPa,低于基面的(0.92 GPa),吸附水主要形成H-up和H-down兩種結構,這種差異主要由礦物表面氫鍵作用導致;水分子會優先吸附在側面,其次吸附在基面;結合實驗測得的Georgia高嶺土的吸附等溫線,運用修正BET模型分析,對Georgia高嶺土的吸附等溫線做了側面吸附和基面吸附的分解,驗證了該吸附順序。該成果為黏土礦物持水和力學特性的研究提供了吸附過程的微觀機理解釋。

  上述研究獲得了國家自然科學基金NSFC-41702338、NSFC-51779254和NSFC-42277178的資助,相關成果以論文“Water adsorption on kaolinite basal and edge surfaces”發表在國際化學權威期刊Langmuir上。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c03282

 

圖1 水在高嶺土外表面的吸附順序及微觀SEM掃描    

圖2 Georgia高嶺石側面與基面吸附等最低基質勢能分析計算結果    

圖3 Georgia高嶺土吸附等溫線的分析以及基面與側面最低勢能的分子動力學模擬驗證

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