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镍-层状硅酸盐在粘土端面的成核机理的理论计算研究

3、环境科学 > 专题1：原子分子尺度的环境地球化学

粘土矿物广泛分布于土壤、含水层、沉积物等地质环境中，由于其独特的表面性质，粘土矿物在重金属离子的地球化学循环中扮演着至关重要的角色。在一定条件下重金属在粘土端面会发生非均相成核，形成重金属层状硅酸盐沉淀，并且常常富集成矿。定量地揭示重金属离子在粘土矿物端面的成核机理有助于深入理解重金属离子的迁移与转化规律，是认识相关地质问题和环境问题的理论基础。本研究通过使用第一性原理分子动力学（FPMD）验证了镍层状硅酸盐形成的两种可能的方式（包括反应路径和热力学），阐明了粘土矿物端面上镍层状硅酸盐成核初期阶段的微观机理。第一种方式（分步式，Path1）是指先形成氢氧化镍沉淀，然后沉淀物再与硅酸相互作用，转化成为硅酸盐；第二种方式（同步式，Path2）是镍离子和硅酸与粘土端面同步作用，直接形成硅酸盐沉淀。自由能计算结果显示，Path2比path1更容易发生。由于地球上长期的风化作用，土壤和沉积物中一般都含有充足的硅酸，所以其中存在的镍和锌的硅酸盐多以Path2的方式形成。这些结果体现了溶解的硅对重金属的地球化学行为的重要性，不但为认识重金属非硫化物矿床的形成过程提供了物理基础，也有助于查明重金属污染物在土壤环境中的富集规律。