镓在铝土矿中赋存形态的分子模拟

发布时间：2017-04-26 14:13

  本文关键词：镓在铝土矿中赋存形态的分子模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镓是一种重要的稀有元素金属矿产,是电子工业等领域中重要的基础材料之一。镓以微量分散于铝土矿等矿石中,世界90%以上的原生镓都是在生产氧化铝过程中提取的,但镓的提取非常困难,镓的伴生关系复杂,产量很难由于镓价格上涨而被大幅拉动,如果不能提高回收效率,未来20~30年金属镓将会出现严重短缺。研究铝土矿中镓的赋存规律对镓从铝土矿中高效回收显得尤为必要。由于常规的实验方法研究镓在铝土矿中赋存规律受到很大限制,而随着计算机技术的突飞猛进,算法和力场的逐步完善,分子模拟方法作为一种兼具理论研究和实验测定的手段,在研究微观体系的领域体现了巨大优势,因此利用分子模拟研究赋存规律的方法得到了广泛应用。本文采用分子模拟技术,运用量子力学、分子力学及蒙特卡洛方法进行模拟计算,重点分析了镓替代一水硬铝石、勃姆石和三水铝石中的铝后相应三种矿物晶体的变化规律和氧化镓在一水硬铝石(011)面、勃姆石(110)面和三水铝石(010)面的吸附行为。结果如下:(1)运用Materials Studio分子模拟软件构建铝土矿中的一水硬铝石、勃姆石和三水铝石三种矿石矿物晶体结构模型,采用量子力学优化,对比优化后的晶胞参数与理论值大小,得到合理的结构模型。(2)运用分子力学方法模拟了镓替代一水硬铝石、勃姆石和三水铝石中的铝,通过forcite优化,得到三种矿物体系总能量均有大幅降低,可得整个体系更加稳定。替代前后体系能量变化幅度从大到小依次为一水硬铝石、勃姆石、三水铝石,可得镓在一水硬铝石中更容易发生取代铝的现象。(3)运用蒙特卡洛分子模拟方法,模拟计算了在深度为0、300、600、900m的埋深条件下,一水硬铝石(011)面、勃姆石(110)面和三水铝石(010)面吸附氧化镓规律。结果表明:三种矿物在各自不同埋深环境下吸附氧化镓的量变化较小;三种晶体矿物在同一埋深环境中勃姆石吸附氧化镓量最多,推测吸附量与切面后断开的含铝活性基团量呈正相关。(4)运用蒙特卡洛分子模拟方法,模拟计算了地表热力学温度为307k,压强为4.6MPa条件下,氧化钛、氧化铁和氧化镓在一水硬铝石(011)面、勃姆石(110)面和三水铝石(010)面竞争吸附,通过吸附前后吸附量和吸附能的变化得到氧化钛与氧化镓竞争吸附能力更强,对氧化镓的吸附影响更大。
【关键词】：铝土矿 氧化镓 吸附 类质同象 分子模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P618.74;P618.45
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 铝土矿资源概述及镓的赋存特征11-15
• 1.2.1 铝土矿的分类、分布特征11-12
• 1.2.2 铝土矿矿物成分和化学成分12-14
• 1.2.3 铝土矿中镓的含量及赋存特征14-15
• 1.3 研究内容、方法及创新点15-18
• 1.3.1 研究内容15-16
• 1.3.2 研究方法16-18
• 第二章 分子模拟方法及其模拟软件介绍18-30
• 2.1 分子模拟方法简介18-25
• 2.1.1 分子力学模拟19-21
• 2.1.2 巨正则蒙特卡洛模拟21-22
• 2.1.3 量子力学方法22-23
• 2.1.4 其它方法23-25
• 2.2 模拟软件Materials Studio25-30
• 2.2.1 基本环境—MS Visualizer25
• 2.2.2 计算模块25-30
• 第三章 模型的构建及其优化30-38
• 3.1 晶体结构模型构建30-34
• 3.1.1 研究现状30-31
• 3.1.2 三种矿物结构模型的构建31-34
• 3.2 量子力学模拟34-38
• 3.2.1 量子力学参数设置34
• 3.2.2 量子力学模拟结果分析34-38
• 第四章 镓类质同像替代的分子模拟38-46
• 4.1 掺杂取代38-40
• 4.1.1 掺杂比例38
• 4.1.2 力场参数的选择38-39
• 4.1.3 掺杂取代位置选取39-40
• 4.2 结果与讨论40-46
• 第五章 蒙特卡洛模拟46-56
• 5.1 蒙特卡洛模拟46-48
• 5.1.1 参数设置46
• 5.1.2 吸附质和吸附剂的构建及优化46-48
• 5.2 模拟结果分析48-56
• 第六章 结论与建议56-58
• 6.1 结论56
• 6.2 建议56-58
• 参考文献58-66
• 致谢66-68
• 攻读学位期间发表的学术论文68

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