Simulación computacional de defectos estructurales formados durante la deshidroxilación de la caolinita

Abstract

La importancia de la caolinita en el desarrollo de la ciencia cerámica moderna se puede apreciar al observar su amplia influencia en la cerámica, la ciencia de los materiales y la mineralogía. Dado que, en general, su uso en la industria requiere de tratamientos térmicos, resulta de interés comprender la formación del metacaolín durante la activación térmica de esta arcilla y desentrañar los mecanismos físicos y químicos involucrados en su producción. En este trabajo se estudia el inicio del proceso de deshidroxilación utilizando métodos de cálculo basados en la Teoría de la Funcional Densidad. En particular, se proponen cuatro sistemas que combinan vacancias de un grupo OH y un átomo H de la celda unidad de la caolinita. Para cada una de estas variantes se optimizó la estructura, y se analizó la energía del sistema luego de la optimización. Los resultados fueron comparados entre sí y con la literatura. Por último, para el caso más compatible con el inicio del proceso físico de deshidroxilación se estudió la densidad de estados electrónicos y se la comparó con la correspondiente a la caolinita. Los resultados obtenidos contribuyen a indagar entre distintos sistemas modelo que podrían describir el inicio del proceso de producción del metacaolín, como así también a entender las diferencias existentes entre los mismos.

The importance of kaolinite in modern ceramic science becomes apparent when considering its influence on ceramics, materials science, and mineralogy. Because the industrial uses of kaolinite require thermal treatments, there is interest in understanding the formation of metakaolin during the thermal activation of this clay, as well as in knowing the physics and chemistry mechanisms behind its production. In this work we studied the beginning of the dehydroxylation process using calculation methods based on Density Functional Theory. In particular, we proposed four systems that combine vacancies of an OH group and a H atom in the kaolinite unit cell. For each of these variants, we optimized the structure and analyzed the energy of the system after optimization. The results were compared between each other and with the literature. Finally, we studied the density of electronic states for the system most compatible with the start of the physical process of dehydroxylation and compared it with that of kaolinite. These results contribute to investigate different model systems that could describe the beginning of the process for metakaolin production, as well as understand the differences between these systems.

A importância da caulinita no desenvolvimento da ciência cerâmica moderna pode ser apreciada observando-se sua ampla influência na cerâmica, na ciência dos materiais e na mineralogia. Dado que, em geral, a sua utilização na indústria requer tratamentos térmicos, é de interesse compreender a formação do metacaulim durante a ativação térmica desta argila e desvendar os mecanismos físicos e químicos envolvidos na sua produção. Neste trabalho estuda-se o início do processo de desidroxilação utilizando métodos de cálculo baseados na Teoria do Funcional da Densidade. Em particular, são propostos quatro sistemas que combinam vacância de um grupo OH e um átomo de H da célula unitária da caulinita. Para cada uma dessas variantes a estrutura foi otimizada e a energia do sistema após a otimização foi analisada. Os resultados foram comparados entre si e com a literatura. Por fim, para o caso mais compatível com o início do processo físico de desidroxilação, a densidade dos estados eletrônicos foi estudada e comparada com aquela correspondente à caulinita. Os resultados obtidos contribuem para a investigação de diferentes sistemas modelo que poderiam descrever o início do processo de produção do metacaulim, bem como para a compreender as diferenças existentes entre eles.