First principles molecular dynamics study of interlayer water and cations in vermiculite

バーミキュライトにおける層間水とカチオンの第一原理分子動力学研究

池田 隆司

Ikeda, Takashi

粘土鉱物へのセシウムの非可逆的な吸脱着の起源を明らかにするために層間にMg, K, Csと共に水を含むバーミキュライトの第一原理分子動力学シミュレーションを行った。カチオンと一緒に含まれている層間水の構造と動的性質を詳しく検討したところ、MgとCsではそれぞれ外圏型と内圏型錯体が層間に形成されるがKではどちらの表面錯体も形成されることがわかった。層間に形成される電気2重層の構造は層間内カチオンの表面錯体のタイプに依存することが示された。水分子の再配向運動はCsによって促進されるが、これはMgとKではほとんど影響がないこととは対照的である。また水分子の拡散も促進されることが観測されたことからCsは2次元に制限された空間である層間においても構造破壊イオンとして働くことが示唆された。

To clarify possible origins of irreversible adsorption exhibited by cesium on clay minerals, we performed FPMD simulations for vermiculite including water molecules along with Mg, K, and Cs in its interlayers. Our close examination on the structural and dynamical properties of interlayer water included together with the cations shows that Mg and Cs form respectively outer- and inner-sphere surface complexes in the interlayers, while K forms both types. The structure of electric double layers formed in the interlayers is found to depend significantly on the type of surface complexes of interlayer cations. The reorientational motions of HO are suggested to be enhanced by Cs in contrast to a minor influence of Mg and K. Our observed enhanced diffusion of interlayer HO along with their rapid reorientation indicates that Cs ions work as structure-breaking ions even in confined 2-dimensional interlayers.