碳基纳米材料吸附溶解性有机物质的分子动力学模拟研究

论文摘要

碳基纳米材料（CNMs）因有着比传统材料更加优异的性质，而被广泛应用于生产生活中。CNMs可以被释放到在环境中，在环境中迁移和转化，对环境和人类健康有潜在的风险。因此，研究CNMs的环境行为，进而评价CNMs的环境风险具有重要意义。已有研究表明，CNMs可以在水中稳定存在，特别是在天然水体中，CNMs可以通过吸附溶解性有机质（DOM）、有机污染物和生物大分子等而稳定悬浮。但DOM种类众多，环境行为复杂，影响CNMs吸附的因素多样，现有传统的实验和理论方法不仅无法直观地了解CNMs对DOM的吸附，而且难以揭示CNMs在水中吸附DOM的微观机理。抗生素作为一类新兴的有机污染物在水环境中也可以被CNMs吸附并存在与DOM同样的问题。本论文采用一种分子模拟方法——分子动力学（MD）方法，以C60、单壁碳纳米管（SWNTs）、9种低分子量天然有机酸（LOAs）、单宁酸和磺胺甲恶唑为目标化合物，综合考虑了DOM和磺胺甲恶唑的种类、不同解离形态和浓度对CNMs吸附DOM和磺胺甲恶唑的影响，计算模拟了CNMs对DOM和磺胺甲恶唑的吸附作用，以此揭示CNMs与DOM和磺胺甲恶唑相互作用的微观机制，从而预测CNMs在水环境中对DOM和抗生素的吸附行为，为评价CNMs在水中的暴露行为提供理论依据。DOM是复杂的混合物，其中不仅有结构复杂的高分子量有机酸，也有结构相对简单的低分子量有机酸，而已有的研究缺乏低分子量有机酸对CNMs在水中稳定性影响的研究。本论文考察了真空和水中C60与9种LOAs的相互作用，建立了C60与LOAs相互作用能（Eint）的预测模型。MD模拟结果表明，真空和水中LOAs分子很好地吸附在C60表面，芳香类LOAs与C60的相互作用比脂肪类LOAs与C60的强。LOAs分子量越大，C60与LOAs的相互作用越强。水中不同解离形态的LOAs与C60的相互作用不同，分子比离子的强。Eint模型有很好的拟合优度和稳健性，可用来预测LOAs与C60的相互作用能。C60和LOAs的主要相互作用是色散、诱导和疏水作用。为了考察MD模拟时真实水分子对C60吸附LOAs的影响，本论文采用显性溶剂方法考察了水中柠檬酸和没食子酸在C60上的吸附。结果表明，水中柠檬酸和没食子酸均能很好地被C60吸附，柠檬酸和没食子酸与C60的主要相互作用是范德华和疏水相互作用，没食子酸比柠檬酸更易吸附到C60表面。吸附平衡后，柠檬酸和没食子酸可与水分子形成氢键，而氢键作用不是C60吸附柠檬酸和没食子酸的主要作用。柠檬酸离子与C60的作用比柠檬酸分子的弱。大分子的DOM与CNMs相互作用更强，它们是DOM影响CNMs在水中稳定性的关键成分。大分子DOM结构复杂，且其与CNMs的作用机制尚不清楚。本论文以单宁酸为DOM类似物，在充分考虑了单宁酸浓度和SWNTs直径对SWNTs吸附单宁酸影响的情况下，研究了SWNTs对单宁酸的吸附。结果发现，SWNTs可以很好地吸附水中的单宁酸，它们的主要相互作用是π-π和疏水相互作用，SWNTs还可以吸附多层单宁酸分子，它们的主要相互作用与SWNTs吸附单层单宁酸分子时相同。水分子可在同一个或多个单宁酸分子间起架桥作用。SWNTs与没食子酸的相互作用随SWNTs比表面积增大而增强，与SWNTs的直径无关。抗生素广泛存在于环境中，它们可能会与DOM一样，与环境中CNMs相互作用，影响彼此在环境中的行为。本论文选取一种抗生素——磺胺甲恶唑，分别研究了SWNTs和羧基修饰的SWNTs对磺胺甲恶唑的吸附，并在研究中考虑了不同解离形态磺胺甲恶唑、磺胺甲恶唑浓度和离子强度对SWNTs吸附磺胺甲恶唑的影响，羧基修饰SWNTs的氧质量百分比对羧基修饰的SWNTs吸附磺胺甲恶唑的影响。结果表明，不同解离形态磺胺甲恶唑与SWNTs的相互作用强弱为：阳离子>分子>阴离子。磺胺甲恶唑阴离子与SWNTs的主要相互作用为π-π和疏水相互作用。磺胺甲恶唑浓度和离子强度对SWNTs吸附磺胺甲恶唑阴离子的影响不大。羧基修饰的SWNTs与磺胺甲恶唑的相互作用比SWNTs与磺胺甲恶唑的弱，羧基修饰SWNTs的分子形态与磺胺甲恶唑分子的相互作用能和羧基修饰SWNTs的氧质量百分比成正相关关系，而羧基修饰SWNTs的离子形态与磺胺甲恶唑阴离子的相互作用能和羧基修饰SWNTs的氧质量百分没有此规律。羧基修饰SWNTs吸附磺胺甲恶唑时形成的氢键比SWNTs吸附磺胺甲恶唑时形成的多。SWNTs上的羧基只是减少了SWNTs的疏水表面，并没有减弱SWNTs与磺胺甲恶唑的相互作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 碳基纳米材料概述
• 1.1.1 碳基纳米材料
• 1.1.2 碳基纳米材料的来源
• 1.1.3 碳基纳米材料的生物毒性
• 1.2 碳基纳米材料的环境行为
• 1.2.1 碳基纳米材料的环境行为概述
• 1.2.2 水中碳基纳米材料的悬浮稳定性
• 1.2.3 碳基纳米材料对环境中其他污染物环境行为的影响
• 1.3 碳基纳米材料对典型有机物吸附的研究进展
• 1.3.1 碳基纳米材料对有机污染物的吸附
• 1.3.2 碳基纳米材料对抗生素的吸附
• 1.3.3 碳基纳米材料对溶解性有机质的吸附
• 1.3.4 溶解性有机质对碳基纳米材料吸附有机污染物的影响
• 1.4 分子动力学模拟
• 1.4.1 分子动力学模拟概述
• 1.4.2 原理
• 1.4.3 分子力场
• 1.4.4 积分算法
• 1.4.5 边界条件
• 1.4.6 系综
• 1.4.7 分子动力学模拟碳基纳米材料吸附行为的研究进展
• 1.5 本论文选题依据、研究目的、内容和技术路线
• 1.5.1 选题依据
• 1.5.2 研究目的和内容
• 1.5.3 技术路线
• 60的相互作用'>第二章 分子动力学模拟低分子量天然有机酸与 C₆₀的相互作用
• 2.1 引言
• 2.2 计算方法
• 2.2.1 MD 模拟
• 2.2.2 径向分布函数、扩散系数和相互作用能
• 2.2.3 相互作用能预测模型的建立
• 2.3 结果与讨论
• 60上的形貌'>2.3.1 LOAs 在 C₆₀上的形貌
• 60上的扩散'>2.3.2 LOAs 在 C₆₀上的扩散
• 60与 LOAs 的相互作用能'>2.3.3 C₆₀与 LOAs 的相互作用能
• 2.3.4 Eint的预测模型
• 2.4 小结
• 60表面吸附的分子动力学模拟研究'>第三章 柠檬酸、没食子酸在 C₆₀表面吸附的分子动力学模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.2.1 模拟体系
• 3.2.2 MD 模拟
• 3.3 结果与讨论
• 60上的吸附'>3.3.1 柠檬酸和没食子酸在 C₆₀上的吸附
• 60吸附柠檬酸和没食子酸的影响'>3.3.2 水分子对 C₆₀吸附柠檬酸和没食子酸的影响
• 60吸附柠檬酸的影响'>3.3.3 柠檬酸的不同形态对 C₆₀吸附柠檬酸的影响
• 3.4 小结
• 第四章 单宁酸在单壁碳纳米管表面吸附的分子动力学模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.2.1 模拟体系
• 4.2.2 MD 模拟
• 4.2.3 平均作用势
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 单宁酸在 SWNTs 上的吸附
• 4.3.2 SWNTs 吸附多个单宁酸分子
• 4.3.3 SWNTs 直径对 SWNTs 吸附没食子酸的影响
• 4.4 小结
• 第五章 磺胺甲恶唑在单壁碳纳米管表面吸附的分子动力学模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.2.1 模拟体系
• 5.2.2 MD 模拟
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 磺胺甲恶唑的不同形态对 SWNTs 吸附磺胺甲恶唑的影响
• 5.3.2 水中 SWNTs 对磺胺甲恶唑阴离子的吸附
• 5.3.3 磺胺甲恶唑浓度和离子强度对 SWNTs 吸附磺胺甲恶唑的影响
• 5.3.4 水中羧基修饰 SWNTs 对磺胺甲恶唑的吸附
• 5.4 小结
• 第六章 结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间公开发表论文及著作情况