矿物对无烟煤力学非均质性影响的分子动力学研究——以沁水盆地南部主要黏土矿物高岭石为例

煤是由有机显微组分和矿物组成的混合物,矿物的存在会导致煤的大分子结构存在差异,使得煤的力学性质具有明显的非均质性,进而影响区块内整体的煤层气产量、压裂改造效果和成熟技术的规模化应用。以沁水盆地典型的无烟煤和高岭石矿物作为研究对象,通过分子动力学的方法定量研究高岭石及其含量对无烟煤力学性质的影响规律,分析不同矿物含量下无烟煤的分子结构和孔隙特征,从能量和有序化的角度揭示其微观机理。结果表明:①煤有机质与高岭石相互结合过程中同时存在范德华力和氢键作用,且氢键作用强度要高于范德华力,煤有机质周围出现高岭石分子的概率、相互作用强度和有序性均随着矿物质量分数的增加而增大。②无烟煤的孔隙率φ随高岭石质量分数a的增大呈线性规律(φ=−0.2293a+9.6295)降低,而无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量均随高岭石质量分数的增大呈线性规律增强,泊松比随高岭石质量分数的增大呈二次多项式规律降低。③无烟煤的力学非均质程度整体上随着高岭石质量分数增加而增大,其中不同高岭石质量分数下体积模量、弹性模量和剪切模量的变异性可分为很低、低、中等、高和很高5个部分,而泊松比的变异系数均小于0.1,变异性很低。④随着高岭石质量分数的增加,煤有机质与高岭石的相互作用能呈线性规律(Einteraction=4.5585a+443.929)增大,与纯有机质相比,当高岭石质量分数达到20%时,无烟煤的键能和范德华能分别增加了63.86%和48.06%。⑤高岭石增强煤力学性质的内在原因是高岭石进入煤有机质后占据一定的孔隙空间,且与煤有机质的芳香碳骨架和不同官能团进行相互作用,高岭石质量分数越大充填煤大分子结构孔隙的程度越高,煤大分子结构的能量越大,导致煤大分子结构的孔隙率降低,有序性增大,使得力学强度和抵抗变形的能力增强。

煤系高岭石热活化及其对水泥净浆长期强度的影响研究

【目的】煤矸石的高值化利用是目前研究的热点,煤矸石中高岭石的活化及作用对煤矸石的高值化利用意义重大。【方法】首先采用正交试验方法进行了煤系高岭石的热活化参数优化设计研究,再以最优条件形成的煤系偏高岭土替代部分水泥,对净浆的抗压强度、物相组成及微观结构进行了分析。【结果】试验结果表明,煤系高岭石最佳热活化条件为煅烧温度800℃,保温时间2 h,粉磨细度2.82μm.煅烧温度对煤系偏高岭土活性影响最大,粉磨细度次之,保温时间最小;采用煤系偏高岭土替代20%(质量分数)水泥,可加快水泥的水化反应速率,有效提升净浆在各养护龄期的抗压强度,其中早期强度提升最显著;微观机理分析发现,煤系偏高岭土发生火山灰反应消耗了大量氢氧化钙,形成了结构更致密的低钙硅比水化硅酸钙。

高岭石表面水化机理及电场弱化其吸附性能的分子模拟

高岭石是泥岩黏土矿物组成中的主要成分之一,其水理特性对分析高岭石类黏土矿物遇水工程性质劣化的研究至关重要,通过密度泛函理论和分子动力学模拟研究了高岭石表面水化机理及电化学作用对高岭石表面吸附性能的影响。结果表明:水分子在高岭石(001)晶面吸附时水中的Hw、Ow原子与高岭石表面羟基的Hs、Os原子间形成了Hw-Os及Hs-Ow两种类型的氢键,并且Hw-Os氢键作用较强;水分子与高岭石(001)晶面之间形成的氢键作用导致高岭石(001)晶面具有较强的亲水性质;外加电场对体系中水分子的平衡构象及吸附形态产生显著影响,当体系无电场时,水分子通过氢键与高岭石(001)晶面结合紧密,随着电场强度不断增加,水分子逐渐从高岭石表面脱附,以氢原子朝上、氧原子朝下的“V”字型结构向体相中扩散,水分子的偶极矩沿电场方向排列;随着水-高岭石体系中电场强度的增加,吸附体系中的氢键作用逐渐被破坏,水分子脱附能力增强,高岭石表面对水分子的吸附性降低。

稀土La^(3+)离子在高岭石表面吸附的原位AFM研究

离子吸附型稀土矿是我国优势矿产资源,该类型矿床中,稀土元素主要是以离子的形式吸附在高岭石、埃洛石和铁锰氧化物等次生矿物上。本文主要通过原子力显微镜(AFM)的微观区域的力学测量功能,结合DLVO理论,研究原位水环境下稀土La^(3+)对高岭石不同表面(Si面和Al面)Stern电位的影响,揭示高岭石对La^(3+)的吸附能力随Si面和Al面表面性质不同而变化。实验结果表明:当La^(3+)浓度从0增加至1.0 mmol/L时,高岭石Si面的Stern电位由−46 mV转变为4 mV,表明高岭石Si面对La^(3+)有吸附作用;而Al面的Stern电位(在28~31 mV之间波动)几乎没有变化,表明高岭石Al面对La^(3+)的吸附作用不强。该研究表明在pH=4~6的风化壳条件下,高岭石Si面对La^(3+)的吸附可能占主导作用,Al面的贡献相对较小。本研究从微观角度揭示了稀土元素在高岭石不同表面的吸附特征,明确了高岭石不同表面对稀土元素吸附的贡献,为阐明风化壳中稀土的富集机制提供信息。

富含高岭石结构的煤矸石活化及合成NaY分子筛

以煤矸石为原料,在无模板剂和无添加剂的条件下,采用“高温焙烧-碱熔-碱溶-晶化”过程水热合成NaY分子筛。采用XRF、TG、XRD、SEM、N_(2)吸附-脱附曲线、NH3-TPD等手段对高温热处理的煤矸石及合成的NaY分子筛进行表征。结果表明:煤矸石中的高岭石相在600~800℃生成无定型偏高岭石相,随着碳酸钠与煤矸石质量比的增加或碱熔温度的升高,硅铝酸钠的晶相含量先增多后减少;加入质量分数0.1%~2.0%的NaY分子筛晶种提高了产物分子筛样品的相对结晶度和比表面积;增加NaOH浓度导致NaY分子筛硅/铝比下降;提高投料硅/铝摩尔比(n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3))=6~30)使得NaY分子筛硅/铝比和相对结晶度先增大后减小。当晶种加入质量分数0.5%、投料n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3))为20且NaOH浓度为3 mol/L时,合成的NaY分子筛n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3))达到4.3、相对结晶度为87.4%、比表面积达到584 m^(2)/g、孔径主要分布在3.4 nm、颗粒粒径为100 nm左右。

机械力化学法制备高岭石/碳酸盐复合材料及其抑制黄铁矿氧化的研究

黄铁矿氧化产生的酸性矿山废水引起的矿山环境问题一直是环境治理领域的难题,从源头控制黄铁矿氧化是治理酸性矿山废水的根本途径。以廉价黏土矿物和碳酸盐为原料,采用机械力化学法制备复合材料,实现了对黄铁矿氧化的高效钝化抑制。研究结果表明,以高岭石和碳酸钙为原料,两者摩尔比为1∶2,经转速为600 r/min球磨1 h后获得的钝化材料对黄铁矿的氧化抑制效果最佳,14 d后溶液pH值稳定在7以上,且SO_(4)^(2−)质量浓度仅为600 mg/L。研磨过程使高岭石晶体结构被破坏并趋于无序化,碳酸盐结合到高岭石中发生固相合成反应,生成非晶态物质。钝化材料溶解释放的硅、铝等活性组分与黄铁矿表面的氢氧化铁层结合形成稳定钝化层,阻止黄铁矿与氧气和水分接触,从而抑制黄铁矿的化学氧化。本研究制备工艺简单环保、原料廉价易得、钝化材料无环境污染风险,为酸性矿山废水的源头治理提供了新的研究思路。

CuO-高岭石活化PMS降解诺氟沙星性能

【目的】为解决纯过硫酸盐催化剂在制备过程中易团聚的问题,分析引入高岭石载体后催化剂的结构和催化性能的变化规律,实现对抗生素废水中有机污染物的高效降解。【方法】首先以高岭石为载体,采用水热煅烧法制备了CuO-高岭石复合材料;使用物相分析、X射线光电子谱、扫描电子显微镜和氮吸附仪等对材料的晶体结构、表面化学态、微观形貌、比表面积以及孔结构特征进行表征,考察不同CuO与高岭石质量比、催化剂用量和过一硫酸盐(peroxymonosulfate,PMS)用量对NOR降解效率的影响,进行实验条件优化,并系统分析CuO-高岭石复合材料催化PMS降解NOR的机制。【结果】CuO与高岭石质量比为40%时CuO-高岭石复合材料具有最优的催化性能,在催化剂质量浓度为1.5 g/L,PMS浓度为1.0 mmol/L,NOR初始质量浓度为10 mg/L,反应时间为60 min时,NOR的降解效率为76.21%;CuO-高岭石中Cu(Ⅰ)、Cu(Ⅱ)之间的价态循环参与PMS的活化,反应体系中主要的活性物种是单线态氧^(1)O_(2),而超氧自由基O_(2)^(·-)、硫酸根自由基SO_(4)^(·-)和羟基自由基·OH也参与NOR降解过程。【结论】CuO-高岭石复合材料中,CuO纳米片能够均匀地分散并沉积在高岭石载体表面,显著减少CuO纳米片的相互团聚,使得更多反应活性位点暴露,增强复合材料对PMS的活化能力和对NOR的降解能力。

Pb^(2+)、Zn^(2+)在改性高岭石中吸附特性的分子模拟

这是一篇矿业工程领域的论文。为了探究重金属Pb^(2+)和Zn^(2+)在高岭石-尿素插层复合体中的吸附机理,采用分子模拟的技术,在268、283、298 K和恒压0.1 MPa的条件下,分别在Pb^(2+)、Zn^(2+)的单一体系和共存体系中进行模拟计算。结果表明:单独对Pb^(2+)、Zn^(2+)吸附时,吸附量都随温度的升高而降低,等量吸附热也具有同样的趋势,吸附量和等量吸附热均为Pb^(2+)>Zn^(2+),自扩散系数随温度的增加而增加,且Zn^(2+)>Pb^(2+);在竞争吸附中,变化规律与单独吸附一致,且Pb^(2+)、Zn^(2+)的吸附量和等量吸附热均小于单独吸附时的值,自扩散系数均大于单独吸附时的值,说明两者之间存在竞争吸附行为。

聚丙烯酰胺类抑制剂对一水硬铝石和高岭石可浮性差异调控的影响

针对捕收剂在一水硬铝石与高岭石表面的吸附选择性较差的问题,添加3种不同类型的聚丙烯酰胺抑制剂调变捕收剂在矿物表面的选择性吸附差异,研究抑制剂类型对捕收剂丙撑基双十二酰胺丙基二甲基氯化铵(DAPDPAC)在矿物表面的吸附量差异和相互作用变化,以及抑制剂对两种矿物的浮选影响。浮选试验结果表明:与非离子聚丙烯酰胺(NPAM)和阴离子聚丙烯酰胺(APAM)相比,阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)显示了捕收剂对两种矿物显著的浮选调变差异,且CPAM在浓度80 mg/L时,一水硬铝石的回收率受到明显抑制,而高岭石的回收率几乎不变,且在酸性至弱碱性环境下,可以较好地实现一水硬铝石和高岭石的浮选分离。红外光谱测试结果表明:添加的抑制剂CPAM有效地阻碍了DAPDPAC在一水硬铝石表面的吸附,而在高岭石表面的吸附无明显变化。吸附量、Zeta电位及XPS测试结果表明:CPAM用量大于80 mg/L时,DAPDPAC在一水硬铝石和高岭石表面的吸附量差值保持在9.76×10^(-7)mol/g以上。因此,CPAM可有效调控DAPDPAC在一水硬铝石和高岭石表面的选择性吸附,有利于强化DAPDPAC对一水硬铝石和高岭石的浮选分离。

基于机器视觉-光电分选耦合的煤系高岭石分选技术

为解决煤系高岭石资源回收利用的问题,在传统光电分选技术的基础上,提出一种基于机器视觉与光电分选相结合的自动光电分选系统。介绍了光电分选机的结构及其工作原理、机器视觉的定义及基于YOLOv7网络的目标检测算法。在MS2000智能分选机中植入了相机识别技术和基于YOLOv7的AL识别算法,以解决光电分选机识别能力差和适应性差的问题。并以准格尔地区酸刺沟选煤厂产出的煤矸石为研究对象,采用X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)技术对煤矸石进行特性分析,分析了煤系高岭石选出的必要性。采用该系统进行了选别试验。结果表明:分选精度和数量效率的加权平均值高达94.4%,错配物含量加权平均值低至6.69%,分选系统对煤系高岭石有良好的分选效果。

高岭石浮选分离研究进展

高岭石作为常见的伴生黏土矿物,因其独特的吸附特性会干扰浮选分离的效果,因此,研究高岭石浮选表面作用机理和不同高岭石体系的浮选分离对改善目的矿物浮选效果有着重要作用,本文通过研究者针对高岭石的最新研究,详细阐述了组合捕收剂协同增效的具体机制和原理,主要从煤系及非煤系高岭石的分选方面分别展开。针对浮选药剂在不同高岭石体系中的应用,系统研究高岭石表面与水分子及药剂的作用。针对现有研究的不足,提出建立理论计算与分析表征相结合的捕收剂间协同增效机制研究平台,发展新的分析表征技术,加强药剂间促溶、促分散等方面的基础研究,建立对应的构效关系,并使用大数据、机器学习和人工智能,本文研究将对高岭石与目的矿物浮选分离的研究有着重要意义。

薄层富羟基高岭石提升g-C_(3)N_(4)光催化去除NO效率的研究

采用尿素饱和溶液改变高岭石片层厚度制备薄层富羟基高岭石(IK),再与石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))复合,成功制备了全新光催化材料IKCN。结果表明,薄层高岭石与g-C_(3)N_(4)形成界面化学键,显著提升光催化去除NO活性至74%,是纯g-C_(3)N_(4)的2倍。剥片高岭石暴露出更多层间羟基,增加了g-C_(3)N_(4)与高岭石形成界面化学键的机率和碳空位浓度。界面化学键加快了电子分离与传输,碳空位增强了催化剂表面氧气吸附能力;界面化学键和碳空位的协同作用促进了活性氧自由基的产生,从而提升了IKCN光催化转化NO的效率。

阳离子型絮凝剂片段在高岭石表面的吸附机理研究

采用密度泛函理论(DFT)研究了3种不同结构的阳离子聚丙烯酰胺片段(EA、EMA、EAA)在高岭石表面的吸附机理。通过Mulliken布局分析、电子密度差以及吸附原子态密度对吸附体系的成键性质和相互作用类型进行了分析。结果表明,三种阳离子聚丙烯酰胺片段在高岭石(001)Si一O端面吸附能均要大于其在高岭石(001)Al一O端面的吸附能,主要吸附在高岭石(001)Si—O端面,三种阳离子聚丙烯酰胺片段在高岭石表面的吸附能大小顺序为EA>EAA>EMA,经过Mulliken电荷和态密度分析,三种阳离子聚丙烯酰胺片段在高岭石(001)Si一O端面吸附主要为氢键。

金属阳离子与絮凝剂对高岭石沉降的影响研究

针对尾矿水中微细粒高岭石沉降困难的问题,使用尾矿水中常见的金属阳离子(Na^(+)、K^(+)、Ca^(2+)和Mg^(2+))作为混凝剂,阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)作为絮凝剂进行混凝后的絮凝试验。结果表明,在p H值为中性,矿浆质量浓度为30 g/L条件下,K+最佳浓度为0.6 mol/L,Ca^(2+)最佳浓度为0.08 mol/L,CPAM用量为30 mg/L,沉降效果最佳。采用zeta电位测试、傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试和接触角测试揭示金属阳离子的作用机理,与一价离子相比,二价离子具有更好的效果,二价离子能够更大幅度降低颗粒表面的zeta电位绝对值,减少颗粒表面羟基官能团,增大颗粒表面疏水性。CPAM能够显著提高沉降速率,但会导致较高的浊度,当金属阳离子与CPAM结合使用时,沉降速率和上清液浊度均呈现出较优的效果。

气化细渣强化微细粒高岭石沉降研究

探索了不同pH溶液环境和不同絮凝剂用量时煤气化细渣(CGFS)对高岭石沉降的影响规律。研究发现,CGFS在多种溶液环境中均可以强化微细粒高岭石的沉降。在酸性条件中,CGFS表面荷正电,与表面荷负电的微细粒高岭石更易凝聚。当pH为7时,上清液浊度由56754 NTU降至27918 NTU;同时CGFS可以强化阴离子型聚丙烯酰胺对高岭石的絮凝沉降效果,上清液浊度可由8217 NTU降低至2020 NTU。

稀土元素在高岭石表面的吸附机制研究

通过批吸附实验,揭示不同pH(3.0~8.0)下高岭石对REE^(3+)的吸附过程,系统研究了吸附过程中的Yb/La及Tb/La分异机制并量化其分异程度。吸附实验结果表明,高岭石矿物表面对La^(3+)、Tb^(3+)和Yb^(3+)的吸附量随pH升高而逐渐增加,在pH为8时达到最大吸附量,吸附效果最佳。同时,吸附过程中,稀土离子倾向于形成稳定的内层配合物,且该过程明显富集中重稀土元素。这一结果为风化壳离子吸附型稀土矿的成矿机理探讨提供了新思路。

镧离子和铵离子在高岭石表面的吸附机理研究

基于密度泛函理论的平面波赝势第一性原理计算,研究了La^(3+)和NH_(4)^(+)在高岭石(001)面和(00⁃1)面的吸附机理。结果表明,La^(3+)主要通过静电作用吸附在高岭石表面,NH_(4)^(+)除静电作用外,还存在氢键作用,比La^(3+)有更多的电子转移到高岭石表面上。离子在高岭石(001)面的吸附能绝对值从大到小排序为:La^(3+)>NH_(4)^(+)>H_(2)O;离子在高岭石(00⁃1)面的吸附能绝对值从大到小排序为:NH_(4)^(+)>La^(3+)>H_(2)O。La^(3+)更容易吸附在(001)面上,而NH_(4)^(+)更容易吸附在(00⁃1)面上。采用硫酸铵作浸出剂时,浸出剂浓度需要提高到一定值才能使吸附在高岭石(001)面上的La^(3+)等稀土离子被有效地交换下来。

土壤中高岭石的X射线衍射全谱拟合定量分析方法研究

本文通过提纯高纯度石英、方解石、高岭石,配置了三种已知矿物成分含量的土壤模拟样品(高岭石、石英二相模拟土壤样品,高岭石、石英、方解石三相模拟土壤样品,高岭石、自然土壤混合样品),利用X射线衍射TOPAS全谱拟合定量分析方法对配制的9组高岭石、石英二相模拟土壤样品,9组高岭石、石英、方解石三相模拟土壤样品,9组高岭石、自然土壤混合样品三种系列覆盖4个矿物梯度的模拟土壤实验样品进行矿物定量分析,成功对比了其矿物理论含量与测试含量。通过对不含高岭石系土壤和含高岭石系土壤加标高岭石的方法,验证了X射线衍射全谱拟合定量分析法可以应用于土壤高岭石定量分析的稳定性与准确性。

聚氧化乙烯絮凝微细粒高岭石强化赤铁矿反浮选脱硅机理研究

通过矿物浮选试验并结合激光粒度测试、扫描电镜(SEM)、矿物Zeta电位及XPS等检测方法对赤铁矿反浮选过程中聚氧化乙烯絮凝细粒高岭石的行为及机理进行了研究.矿物絮凝浮选试验表明:添加聚氧化乙烯可以提高高岭石的单矿物回收率和人工混合矿分离效率,促进赤铁矿和高岭石反浮选分离.激光粒度测试和扫描电镜检测结果表明:聚氧化乙烯不絮凝赤铁矿,但絮凝高岭石颗粒,使其表观粒径增大.Zeta电位测试和XPS分析表明:聚氧化乙烯在高岭石颗粒表面发生化学吸附,并使其Zeta电位正移.因此,开展聚氧化乙烯对硅酸盐矿物絮凝的研究对赤铁矿和高岭石反浮选分离具有意义.

Gemini 12-3-12浮选分离一水硬铝石与高岭石的机理研究

以Gemini12-3-12为捕收剂,阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)作为抑制剂,研究了反浮选过程中一水硬铝石与高岭石的分离机理。浮选试验结果表明,未添加CPAM抑制剂时,捕收剂对一水硬铝石和高岭石均表现出较好的捕收性能;加入CPAM抑制剂后,一水硬铝石的回收率大幅降低,而高岭石的回收率降低较小,在pH=6、Gemini 12-3-12浓度为2×10^(-4)mol/L、CPAM浓度为90 mg/L的条件下,单矿物浮选试验中一水硬铝石与高岭石浮选回收率差异达到最大,通过人工混合矿试验,精矿回收率能够达到76.2%,铝硅比为10.18。通过Zeta电位测定、吸附量测定、红外光谱和分子动力学模拟分析了药剂与矿物间的作用机理。吸附结果表明,CPAM在一水硬铝石表面的吸附量远高于高岭石,从而有效地降低了捕收剂在一水硬铝石表面的吸附,分子模拟结果进一步表明,CPAM的加入扩大了两种矿物表面的差异,有利于浮选分离。