[科普中国]-铁橄榄石

简介

在研究燃煤矿物质的迁移和转化过程中发现，煤灰中的含铁矿物是燃煤锅炉水冷壁结渣的主要原因。对燃煤电厂飞灰中磁珠的矿物相特征及化学组成的系统研究中也得出了含铁量较高的铁氧化物相和含硅铝的铁氧化物相易形成灰沉初始层。选取铁橄榄石为研究对象，通过计算铁橄榄石态密度和Mulliken 电荷，研究了其结构变化特性，从而很好地解释了炉内结渣的机理1。

铁橄榄石优化结构与分析铁橄榄石属于正交晶系，其空间群为Pbnm ，对称性为3L2 PC ，晶格常数为a = 4. 818nm ， b = 10. 471nm ， c = 6. 082nm。其中的4 个Si 原子和16 个O 原子均属于所选取的晶胞。但是对于Fe 原子，只有晶体单元内部的5 个原子属于所选取的晶胞，其它的均不完全属于晶胞，由于考虑到晶胞顶点、晶向、晶面的Fe 原子对晶体单元的贡献依次为1/8、1/4 和1/2，由此可得贡献于晶胞的总原子数为28个，即在晶体单元内部放入3 个虚拟的等效Fe 原子，与计算模拟的结果完全一致。

铁橄榄石的活性计算在得到铁橄榄石几何优化后稳定结构的基础上，对它的态密度、最高分子占据轨道（HOMO）、最低分子占据轨道（LUNO）和Mulliken 原子布局数进行了详尽研究。

通过模拟计算可以得出，铁橄榄石最高分子占有轨道的能量为- 5. 394eV ，最低分子占有轨道的能量为- 3. 735eV ，能量差值ΔE = 1. 659eV。铁橄榄石的最高分子占有轨道和最低分子占有轨道均处在费米能级左侧的第一个峰群之中，而且与紧靠费米能级的第一个波谷值和第一个波峰值相对应，与态密度的计算结果吻合。对煤灰中起骨架作用的莫来石计算结果显示，莫来石最高分子占有轨道的能量为- 0.10eV ，最低分子占有轨道能量为6. 7eV ，能量差值ΔE = 6. 8eV。对煤灰中高熔点物质高岭石的计算结果显示，高岭石的最高分子占有轨道能量为- 9. 40eV ，最低分子占有轨道为- 5. 91eV ，能量差值ΔE =3. 49eV。相比之下，铁橄榄石的能量差较小，结构不稳定，容易在原子之间形成电子对的转移而使结构发生相变。

铁橄榄石的最高分子占有轨道主要由中心Fe 原子以及顶点、晶向、晶面上的Fe 原子（即那3 个虚拟的Fe 原子）组成，结合铁橄榄石的Mulliken 原子布局数可以看到它们分别是Fe1 、Fe2 、Fe3 和Fe4 ，其净电荷数分别为0. 813 、0. 81 、0. 809 、0. 813 。此外，还有部分O 原子作出少量贡献，它们分别是O9 、O11 、O13 、O15 ，其净电荷数分别是- 0. 907 、- 0. 908 、- 0. 907 、- 0. 908 。铁橄榄石的最高分子占有轨道与最低分子占有轨道之间的ΔE 很小，结构不稳定，在高温下发生电子的转移或者失去电子而使铁橄榄石发生相变。这是因为最高分子占有轨道的净电荷数较小，相当于原子的外电子达到饱和态而比较容易失去电子或者使电子对发生偏移，其中虚拟的Fe3原子最容易失去电子。

由铁橄榄石的最低分子占有轨道结合原子布局数可知，它是由位于铁橄榄石晶胞之内除去中心原子的其它4 个Fe 原子构成，还有部分O 原子也作出贡献，它们分别是Fe5 、Fe6 、Fe7 、Fe8 、O10 、O12 、O14 、O16 ，其净电荷数分别为0. 894 、0. 895 、0. 894 、0. 895 、- 0. 888 、- 0. 889 、- 0. 888 、- 0. 889 。在最低分子占有轨道的原子净电荷比较大，相当于失去了电子而使原子核裸露在外面，从而比较容易得到电子，其中Fe6 和Fe8 比较容易得到电子。Si 原子的净电荷要比Fe 原子的净电荷高出很多，但考虑到Si 原子位于元素周期表中的半金属位置，这类元素具有特殊的性质，因而不对铁橄榄石的最低分子占有轨道作贡献2。

总结1.铁橄榄石的最高分子占有轨道和最低分子占有轨道的能量差ΔE 很小，结构不稳定，所以在高温条件下铁橄榄石易吸收能量，发生相变，在锅炉的水冷壁上形成结渣，最先形成灰沉初积层。

2.无论是最高分子占有轨道还是最低分子占有轨道，都被Fe 元素占据，而[SO4]4 - 像孤岛一样被Fe 原子包围起来，表明Fe 元素最活跃，与工程上的结果相符合。配煤和添加助溶剂的作用是通过Fe 元素的位置，从铁橄榄石的Fe3 、Fe6 、Fe8 进入铁橄榄石晶胞，使其中的Fe2O 键断裂，形成新的物质而使其粘性发生变化3。