电场强化石墨烯材料去除水中Hg(Ⅱ)效能研究

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汞是一种剧毒重金属,以Hg(Ⅱ)的形式广泛存在于制药、染料、有色金属冶炼等工业废水中。当含有Hg(Ⅱ)的工业废水排到自然环境中,会对水体、土壤等造成污染,进入人类食物链后,更会对人类健康造成严重威胁。石墨烯材料是近年来出现的一种二维碳基纳米材料,因其独特的微观结构及物化性质,在环境、航天、医学等领域具有广泛的应用前景。其中,石墨烯作为吸附剂,具有比表面积大、吸附点位多等特点,尤其适合吸附去除污水中的Hg(Ⅱ)。但是,石墨烯对Hg(Ⅱ)的吸附效能受外界环境因素影响显著,使得石墨烯的吸附效果在实际应用中极不稳定,阻碍了其作为优质重金属吸附剂的推广和发展。为提高石墨烯材料对Hg(Ⅱ)的吸附分离效能,本文将静电场引入到石墨烯材料吸附水中Hg(Ⅱ)的过程中,并利用分子动力学模拟的方法,从分子相互作用的角度深入研究了静电场强化石墨烯材料吸附去除水中Hg(Ⅱ)的内在机制,为实现石墨烯类材料在重金属废水处理中的应用及推广提供理论指导和技术支持。本文主要的研究内容为:(1)为探究静电场强化石墨烯氧钝化缺陷处去除水中Hg(Ⅱ)的微观机理,运用分子动力学模拟的方法研究了不同方向和不同强度的静电场对石墨烯钝化缺陷处吸附Hg(Ⅱ)的影响。通过计算缺陷处与Hg(Ⅱ)的径向分布函数、相互作用能、Hg(Ⅱ)的密度分布等参数,探究了缺陷处Hg(Ⅱ)和周围水分子的分布规律,以及缺陷处与Hg(Ⅱ)的吸附强度,并据此深入分析静电场对石墨烯氧钝化缺陷处吸附Hg(Ⅱ)的影响。(2)为探究静电场强化氧化石墨烯吸附水中Hg(Ⅱ)的微观机理,运用分子动力学模拟的方法研究了垂直于石墨烯片方向不同强度静电场对氧化石墨烯吸附Hg(Ⅱ)的影响。通过计算氧化石墨烯与Hg(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)与水、不同官能团与Hg(Ⅱ)的径向分布函数,相互作用能,氧化石墨烯与Hg(Ⅱ)平均力势,水分子在Hg(Ⅱ)第一水壳的滞留时间、氧化石墨烯周围水分子的密度分布,探究了氧化石墨烯周围Hg(Ⅱ)的分布、氧化石墨烯和Hg(Ⅱ)吸附强度以及Hg(Ⅱ)的水化作用,并据此深入分析静电场对氧化石墨烯吸附Hg(Ⅱ)的影响。(3)为深入研究静电场强化改性石墨烯膜去除污水中Hg(Ⅱ)的微观机理,运用分子动力学模拟的方法研究了垂直于石墨烯片方向不同强度静电场对石墨烯膜去除Hg(Ⅱ)的影响。通过计算水通量、离子截留率、径向分布函数、平均力势、水分子密度分布、自扩散系数,探究了水分子在石墨烯膜周围的分布、水分子和Hg(Ⅱ)扩散速率的变化,并据此深入分析静电场对改性石墨烯膜去除Hg(Ⅱ)的影响。
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