模拟和预测水中有机污染物在碳纳米管的吸附

碳纳米管与污染物之间的多种相互作用机制，导致吸附差异性普遍存在。在分子水平上阐明碳纳米管对有机污染物的吸附机制，并发展碳纳米管吸附有机污染物的理论预测模型，具有重要意义。本项目拟采用分子模拟技术，研究碳纳米管对水中有机污染物的吸附，通过理论计算不同碳纳米管对污染物的吸附能，阐明碳纳米管的特征(直径、手性、功能团和团聚)以及有机污染物的结构(取代基、分子构型)对吸附的影响规律。采用密度泛函理论研究碳纳米管上吸附态分子构象的性质，计算分子结构参数(前线轨道能、电荷转移参数等)，结合吸附实验建立碳纳米管吸附有机污染物的理论预测模型；并分析不同相互作用对表观吸附的贡献，阐明碳纳米管对有机污染物的吸附机制。本项目不仅可以为碳纳米管作为吸附功能材料在环境领域的应用提供参考依据，还对碳纳米管与污染物的生态风险评价具有重要意义。

碳纳米管对有机污染物的吸附机制研究，不仅可以为碳纳米管在环境领域的应用提供参考依据，还对碳纳米管与污染物的生态风险评价具有重要意义。本项目采用分子模拟技术，考察了碳纳米管的直径对吸附能的影响规律，定量分析了吸附过程中的各相互作用力对总吸附能的贡献，揭示了吸附机制。制备碳纳米管色谱柱，测定化合物在碳纳米管柱的保留因子，评估了碳纳米管对有机化合物的相互作用，建立碳纳米管吸附力的理论线性溶解能关系(LSER)模型。.采用密度泛函理论模拟了单壁碳纳米管(SWNT(n, n))与五种碱基的吸附相互作用，考察了SWNTs直径对SWNTs与碱基间吸附能的影响，发现吸附能随直径的变大而减小；以SWNT(6, 6)为例，计算了SWNT(6, 6)吸附五种碱基的最稳定吸附构象的吸附能(Ea)，分析发现Ea与电荷转移量及最高占据分子轨道能具有显著地线性负相关性。选取一系列具有不同官能团取代的芳香族化合物(环己烷、苯衍生物、多环芳烃)，基于密度泛函理论，模拟了水中化合物在SWNT(8,0)上的吸附，计算了吸附能并定量分析了吸附过程中的可能作用力。研究发现，疏水作用、π-π叠加作用是芳香烃类化合物在SWNT上吸附的主要作用力；假设存在与环己烷具有相似的结构和相同的疏水性质(logKow相等)芳香族化合物，假想芳香族化合物与SWNT相互作用时π-π叠加作用对Ea的贡献约为25%；分子中存在硝基、羟基和氨基，会加强化合物和SWNT之间的π-π叠加作用；硝基苯与SWNT相互作用时，硝基对其Ea的贡献约为Ea 的26%。采用高压匀浆法，制备碳纳米管色谱柱，测定了有机化合物在碳纳米管色谱柱上的保留因子(k')，评估了有机化合物与碳纳米管间的相互作用。建立有机化合物与碳纳米管相互作用的LSER模型，揭示了有机化合物与碳纳米管的相互作用机制。结果表明，碳纳米管与有机化合物的相互作用力与分子极性(E)具有正相关性，π-/n-电子对极化作用在有机化合物与MWCNTs的相互作用中占主导。综上，通过本项目研究阐明了碳纳米管对有机污染的吸附机制，建立了吸附相互作用的LSER模型，提供了一种新的评估/预测碳纳米管对有机化合物的吸附力的方法。