不同阳离子基蒙脱石吸附水分子的分子动力学模拟分析

利用分子力学和分子动力学方法,在Materials Studio软件中建立锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石模型,吸附1632,48,64,80,96个水分子后,进行几何优化得到最佳构型,分析了结构的几何优化对系统能量变化的影响.进一步开展分子动力学模拟,研究4种不同层间阳离子对蒙脱石吸水膨胀性能的影响.优化后阳离子向类质同象代换位置靠近,最初的规则排列结构改变,优化后分子结构的能量也发生较大的变化,系统的能量减小,键能和非键能均减小,键能减少约占减少总能量的56%.二面角扭转能稍有增大,结构的扭曲增加,键伸缩能下降约90%.分子动力学模拟的数据结果表明随着水分子含量的增大,蒙脱石体积和层间距呈阶梯状增大,密度呈阶梯状减小,结合锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石吸附模型中水分子浓度图谱分析,得到蒙脱石吸附的水分子能够在晶层间形成一层、二层、三层水分子层分布的形式.测出锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石吸附16～96个水分子的吸附模型的多个径向分布函数,模拟结果表明,不同层间阳离子中,Li~+更易水化,Na~+次之,K~+和Ca~(2+)不易水化,层间阳离子种类对蒙脱石吸附水分子的影响不同.测出锂-、钠-、钾-、钙-蒙脱石一层、二层、三层水分子吸附模型中阳离子和水分子的均方位移曲线,用最小二乘法拟合直线,确定自扩散系数,对比文献中的研究成果,分析表明阳离子种类以及模拟方法、势能函数、模拟温度等外部条件对层间阳离子和水分子的扩散均有影响.分子动力学模拟结果揭示了化学试剂改良加固膨胀土的机理.