分子间相互作用介导下生物炭对邻苯二甲酸酯的吸附行为及机制

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:KingofPriser
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由于塑料地膜和其他塑料制品的广泛使用,用作增塑剂的邻苯二甲酸酯(phthalic acid esters,PAEs)已在环境中被广泛检测出超标。多种PAEs被WHO认定为致癌的环境激素类污染物,对生态环境和人体健康均构成了严重威胁。作为经济高效的吸附剂,生物炭因其大量的孔隙结构与丰富的表面官能团在污染控制与碳循环领域展现出巨大的应用潜力。有机污染物在分子间相互作用介导下可形成分子团簇,有机污染物的这一行为在环境中普遍存在且具有一定的显著性。PAEs结构中的苯环和疏水酯基侧链可促进分子间发生π-π堆积和疏水相互作用从而形成分子团簇。受限于传统的技术手段,有机污染物的分子团簇往往被忽视,可能导致对有机污染物环境行为的理解和环境风险的评估产生较大偏差。本研究选取富含角质蛋白的鸡毛制备交联生物炭,研究分子间相互作用介导下生物炭对PAEs的吸附行为及机制。结合宏观实验方法与计算机模拟技术,从微观层面上探究PAEs分子间相互作用介导下分子团簇的形成,并描述了生物炭对PAEs团簇的吸附行为与机制。采用程序升温法,在限氧条件下以毛杆一体、纯毛、纯杆为原料制备鸡毛交联生物炭,分别标记为CFBC-1、CFBC-2、CFBC-3。采用原子力显微镜(AFM),扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射技术(XRD)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)表征了CFBCs(Chicken Feather Biochars)的理化性质。物化结构表征结果显示,CFBCs官能团种类及含量丰富,含氮量和含氧量分别在13%和10%左右。形貌扫描以及光谱分析得到CFBCs具备高芳香性类石墨烯片层结构,且片层厚度均在1.2-1.5 nm之间。根据物理化学结构表征结果构建CFBCs的功能化石墨烯模型,在石墨烯基面和边缘修饰含氮、含氧官能团和缺陷。通过量子化学计算方法分析CFBCs差分电荷以及静电势,结果表明CFBCs中含氮官能团的N原子能够提供π电子和孤对电子;CFBCs片层石墨烯基面静电势整体上呈现正值,且静电势绝对值最大值出现在石墨烯基面,表明该区域反应活性较强。选取邻苯二甲酸二乙酯(diethyl phthalate,DEP)和邻苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate,DBP)作为模型污染物。批量吸附动力学实验结果表明伪二级动力学模型能较好地描述DEP的吸附动力学行为,而DBP吸附过程中的固相浓度呈现出先快速上升接着大幅下降最后再次达到平衡的变化趋势。通过密度泛函理论(DFT)计算DBP、DEP二聚体的电子密度及结合能,结果表明DBP分子间结合能(-59.71 k J/mol)绝对值大于DEP(-45.59 k J/mol),且DBP二聚体分子间酯基侧链的电子云重叠面积显著大于DEP二聚体,即DBP分子间相互作用强于DEP。由此推得,与DEP相比,DBP在疏水相互作用以及π-π作用的介导下更易形成分子团簇。基于分子动力学模拟(MD)分析PAEs团簇的微观吸附行为。通过分析吸附二面角分布得到,CFBCs对DEP、DBP的主导吸附机制均为π-πEDA(Electron-donor-acceptor,电子供体受体)相互作用。结合实验现象与模拟计算结果得到,DBP分子间强相互作用促进了DBP团簇的形成,并且DBP以团簇的形式吸附至生物炭上,使其固相浓度快速上升;快速吸附后,DBP液相浓度显著降低,分子间相互作用减弱,团簇逐渐解体分散,已经吸附的DBP以团簇的形式解吸下来;随着吸附时间的增加,体系再次达到表观动态平衡,从而DBP呈现出多阶段吸附机制。本文研究结果对深化理解PAEs的环境行为以及潜在风险控制具有重要意义,为探究环境污染物的有效锁定以及界面相互作用机制提供理论支撑。
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