温度与压力对高岭石吸水特性影响的分子动力学研究

"本文通过分子动力学模拟探讨了温度和压力如何影响高岭石的吸水特性，揭示了其吸附机制。研究发现，高岭石与水分子间的相互作用主要是物理吸附，吸附热远低于化学吸附的临界值，且吸附能、吸附量和体积膨胀率随压力增加而增加，随温度升高而减少。吸附位反映了水分子在高岭石表面的分布情况，水分子的吸附依赖于范德华力和氢键作用。" 在高岭石与水的相互作用中，分子动力学模拟作为一种强大的研究工具，能够深入理解矿物与水分子之间的微观过程。本研究运用了巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)和分子动力学(MD)方法来模拟高岭石的吸水行为。结果显示，水分子在高岭石表面的吸附主要通过Hw-Ok和Ow-Hk两种氢键形式实现，这为理解高岭石在泥岩中的水理作用提供了理论基础。 吸附热是衡量吸附过程能量变化的重要指标，其在1.898 kJ/mol至2.133 kJ/mol的范围内，远低于42 kJ/mol的化学吸附阈值，表明高岭石对水的吸附是典型的物理过程，而非化学反应。吸附能的负值表明该过程是热力学稳定的，随着压力的增加，吸附能、吸附量和体积膨胀率都有所增加，这体现了高岭石在压力作用下对水分子的亲和力增强。 另一方面，温度对吸附过程的影响表现为，随着温度的升高，吸附量和吸附能逐渐降低，但减幅相对较小，表明高岭石对水的吸附在一定程度上受到温度抑制。吸附位的分析有助于理解水分子在高岭石表面的分布模式，表明水分子的吸附位置具有一定的规律性。 此外，研究还发现，水分子在高岭石表面的吸附依赖于分子间的范德华力和氢键作用能。压力对吸附特征的影响显著大于温度，这提示在实际应用中，如地质环境变化或工程操作条件下，应考虑压力对高岭石吸水行为的影响，尤其是高温环境可能减弱水分子的吸附能力。 总结来说，这项研究揭示了高岭石吸水的分子机制，为理解和预测煤系泥岩在不同环境条件下的水理响应提供了理论支持，对于地质灾害预防和矿产资源的开采利用具有重要意义。