【摘 要】
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沸石具有离子交换性能好、价格低廉和孔道排列规则等优异特点,而被广泛用于水中污染物氨氮的去除。已有研究表明沸石去除氨氮的主要机制是离子交换,但从微观角度探索离子交换过程的研究较少。分子动力学模拟是考察沸石离子交换性质和动力学性质的有效方法,可从原子水平对实验的过程和现象进行推演,解释实验现象和预测沸石在离子交换上的性能。本文将从实验和分子动力学模拟两个角度出发,对斜发沸石去除水中氨氮的离子交换过程进
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沸石具有离子交换性能好、价格低廉和孔道排列规则等优异特点,而被广泛用于水中污染物氨氮的去除。已有研究表明沸石去除氨氮的主要机制是离子交换,但从微观角度探索离子交换过程的研究较少。分子动力学模拟是考察沸石离子交换性质和动力学性质的有效方法,可从原子水平对实验的过程和现象进行推演,解释实验现象和预测沸石在离子交换上的性能。本文将从实验和分子动力学模拟两个角度出发,对斜发沸石去除水中氨氮的离子交换过程进行深层次的探讨。实验方面,制备各种盐改性斜发沸石,通过吸附实验以研究不同阳离子类型斜发沸石在离子交换性能上的差异。分子动力学模拟方面,运用显式溶剂模型从原子水平计算斜发沸石骨架外的阳离子逃逸率,从而得到斜发沸石中的阳离子交换顺序。另外,探究了共存离子(Na+)和温度对离子逃逸率的影响。实验和分子动力学模拟方面得到的主要结论如下:(1)经Na Cl、Li Cl改性的斜发沸石对氨氮的去除能力明显提升,而KCl改性的斜发沸石则相反。另外干扰离子(Na+)、甘氨酸的存在以及温度的降低,都会减弱斜发沸石对氨氮的吸附能力。(2)分子动力学模拟计算后通过径向分布图、相对浓度图和阳离子逃逸率等分析,表明斜发沸石对骨架外一价阳离子的选择性顺序为:K+>NH4+>>Na+Li+,各阳离子与沸石骨架之间的非键相互作用能很好的从能量角度来解释阳离子逃逸情况。(3)以Na型斜发沸石模型为例,计算发现共存离子的存在和温度的降低都会使得NH4+的逃逸率增加,即侧面反映出Na型斜发沸石对氨氮去除能力的下降,特别是温度变化对离子交换过程的影响尤为显著。(4)模拟结果和实验结果在趋势上的吻合度较高,表明本文所采用的分子动力学模拟方法能在显式溶剂模型下很好的计算斜发沸石骨架外的阳离子交换顺序,该方法可从微观机理解释不同阳离子类型斜发沸石在离子交换性能上的差异。
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