Interfacial properties of calcium montmorillonite in aqueous solutions : Density functional theory and classical molecular dynamics studies on the electric double layer

• Main Author: Yang, Guomin
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: KTH, Kemisk apparatteknik 2017
• Subjects: Clay minerals; Bentonite; density functional theory; molecular dynamics; GROMACS; electric double layer; electrolytes; ionic liquids; primitive model; CLAYFF forcefield.; Chemical Engineering; Kemiteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-204648; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7729-318-7

The swelling properties of Bentonite are highly affected by clay content and the clay-water interactions that arise from the ion distribution in the diffuse double layer formed near the charged montmorillonite (or smectite) surfaces. Existing continuum models describing the electric double layers, such as classical Poisson-Boltzmann and DLVO theory, ignore the ion-ion correlations, which are especially important for multivalent ions at high surface charge and ionic strength. To better understand the clay-water interactions, atomistic models were developed using both density functional theory of fluids (DFT) as well as classical molecular dynamics (MD) methods. In order to increase our understanding of water-saturated, swelling smectite clays, a DFT, technique was initially developed that allowed more accurate predictions of important thermodynamic properties of the diffuse double layers. This DFT approach was then extended to handle systems with mixtures of different sizes and charges. The extended DFT model was verified against experiments and Monte-Carlo simulations. One practical application was to predict the ion exchange equilibria in Bentonite clays, which have wide practical usage in different areas. Nevertheless, in the DFT work it was realized that DFT demands that the particles, ions in this case, which are described as hard spheres, realistically cannot be described as such at low water loadings, when ion specific hydration forces govern the electric double layer properties. To study how the deformation of the hydration shells of Ca2+ influences the properties of compacted smectite clays, MD simulations using the CLAYFF forcefield were employed in order to account for the deformation of the hydration shells. Comparisons of DFT and MD modeling then allowed to demonstrate under which conditions DFT modeling becomes increasingly inaccurate and when it still can give accurate results. === Under senare år har mycket forskning ägnats åt att förstå egenskaperna hos svällande leror som används för att skydda mot läckage av föroreningar från kontaminerade områden och från framtida slutförvar av radionuklider. Den fria svällningen förorsakas av de starka osmotiska krafter som uppstår när vatten tränger in mellan de tunna elektriskt negativt laddade lermineralskikten och löser de laddningskompenserande jonerna i det diffusa dubbelskiktet. I flera arbeten användandes av sk. kontinuum-teori har vattenmolekylens form, specifika orientering och bindning till katjonerna i de nanometerstora utrymmen mellan lerpartiklarna ej beaktats samt ej heller hur de hydratiserade jonerna orienteras på de atomärt ojämna ytorna. Detta möjliggörs dock genom modellering av de enskilda atomernas och jonernas interaktioner med molekyldynamik simuleringar, MD. I detta arbete har programmet Gromacs använts tillsammans med kraftfältet CLAYFF för att studera dessa fenomen i montmorillonitleror med natrium- och kalciumjoner. Simuleringarna visar att natrium bildar transienta innersfärkomplex vilka orienterar sig i bi-triangulära fördjupningar på ytan, ungefär 3.8 Å från mitt-planet mellan lerytorna. Denna orientering observeras ända upp till att avståndet mellan ytorna ökat till större än motsvarande fem lager vattenmolekyler mellan lerpartiklarnas ytor. Detta sker inte med kalcium, oberoende av avståndet mellan ytorna. Natriumjoner koordineras med fyra vattenmolekyler och en syreatom på leran vid ett lager vatten mellan ytorna och med fem till sex vattenmolekyler, ortogonalt orienterade med ökande mängd vatten mellan ytorna, och med en hydratiserad jon-radie av 3.1 Å. Kalcium koordinerar till sju vattenmolekyler vid ett vattenlager mellan ytorna, men ökar till åtta ortogonalt orienterade vattenmolekyler med en jonradie på 3.3 Å vid större avstånd. Generellt visas att när avståndet mellan lerytorna är mindre än ca 10 Å, deformeras de annars symmetriskt hydratiserade jonerna. En jämförelse mellan MD simuleringar och med klassisk täthetsfunktionalteori, DFT, visar att den senare inte kan beskriva hur yttersfärkomplexen samverkar med laddningarna bundna närmast ytan, dvs i Stern-lagret. === <p>QC 20170403</p>