重金属纳滤使用纳米管和电场通过分子动力学

文摘

重金属污染在世界上是增加了对环境的影响和人类的生活。目前,碳纳米管和硼是一些可能的理想纳滤的重金属离子选择性的性质,优化表面的应用程序和应用程序的外部电场。在这个工作中,动态用于运输水分子与重金属的电场力作用下纳米管内部。这个外部电场生成一个推动电气武力驱逐只有水分子和离子保留。这些金属离子是只保留通过水分子,在恒定的温度和压力下,在一段时间内的100 ps在电场的作用下与值10⁸到10¹非盟。每个金属污染物评估(Pb^{2 +}、Cd^{2 +}、铁^{2 +}、锌^{2 +}、汞^{2 +})受到分子测试模拟在水里。发现测量电场的强度增加或过滤水的比例降低(碳纳米管)的分子内和分子间力加剧了电场的作用有助于保留重金属离子由于损耗的影响。最好的结果对纳滤碳和硼纳米管发生在10场⁸非盟。过滤后的氮化硼纳米管,一个小的百分比差异过滤水的氮化硼纳米管是最有效的(90 - 98%)与碳纳米管(80 - 90%)。硼纳米管的疏水性和热稳定性的一些因素导致了这个结果。

1。介绍

重金属(HM)这个词是用来分类群高活性分子,有毒物质,对环境和人类生活(1]。尽管它是一个统一的术语,它质疑了结合不同元素化学性质和反应性2]。最上面的环境中发现有害和频繁的元素允许限制铜、汞、铬、铅、锰、镉、镍、锌和铁(3]。

许多HMs中自然存在的环境中,与其他矿物和岩石,但HM的分布可以改变自然的力量如洪水和水土流失;然而,人为活动是主要负责通过增加土壤中这些污染物的水平(4,5)、水(6),和大气7]。城市化和工业化的主要原因是增加了HM的浓度(8),达到社会和科学界的一个舞台不再能够控制和预测其实际影响(9,10]。产生的废水工业、矿业、农业、医院和实验室必须接受治疗的地方他们在污水处理之前生成网络消除水和土壤的污染风险11,12]。受污染的废水水可以被植物和动物吸收,导致中毒各级食物链的(13]。土壤和沉积物的吸附和永久金属,而水是一个过渡的环境和促进化学反应的一部分,运输和扩散的金属(14- - - - - -16]。

Nanotube-based净水设备有可能将海水淡化和失矿质字段删除盐和HM(通过他们的能力17)没有显著影响的快速流动的水分子(18]。环境中,HM的高反应性离子促进新化合物与有机分子或金属的形成,从而促进他们的持久性在土壤和水19]。HM的基础上有新的化合物被用作许多物种的食物,因为他们外国的新陈代谢,他们不是驱逐出去。当人吃被污染的蔬菜和动物或使用受污染的水,HM积累在体内,会导致严重的疾病通过先进的生物体内积累20.,21]。

分子动力学(MD)允许宏观系统的纳米尺度的计算研究,分析了原子之间的相互作用作为时间的函数(22,23),导致保护新技术的发展和环境的保护。因此,通过集成的牛顿力学运动方程所描述的24),原子的运动,发生在不同的时间尺度,不断注册上考虑到分子间和分子内作用力在他们的轨迹25]。

HM离子的选择性运输水媒体分析了MD模拟研究[26,27)和有潜力用于废水纳滤(NF)。MD的模拟研究运输固体分子在水中使用碳纳米管(CNT)和氮化硼纳米管(BNNT)贡献了在多个领域的知识,比如医学和当前流程海水淡化(28,29日]。近年来,研究BNNT显示的优越性在问一些属性,如极高的抗扭力(30.),离子的选择性分离(31日,32),电导率和高温热稳定性。这种优势导致BNNT的假说是一个适当的替代碳纳米管,但是生物相容性研究使用BNNT没有确凿的(33]。

以前的模拟显示带电固体颗粒的吸附能力提高利用碳纳米管表面改性或通过外部电场(EF) [34- - - - - -36]。EF增加HM的反应性纳米管内部,增加这些离子的吸附容量问和BNNT37,38]。应用电帽在BNNT NF的污染物(39和海水淡化40)也是一个现实。研究BNNT比研究最近在问与问,甚至更好的性能;还需要更多的研究,以更好地评估可能的生物相容性的纳米结构(41,42]。

在这项工作中,我们提出一个计算模型研究分析HM的MD过滤水,在两个阶段:模拟碳纳米管和BNNT常数EF的效应下,纵向,单壁碳纳米管型和外部,我们系统接近真正的模型图1(一)。同时,我们计算模型图1 (b)。在这项研究中,观察到的旋转造成的影响周围的金属分子NT产生隐失场(43]。这项工作旨在使用问和单壁BNNT数控移除HM离子从水中,通过统一的英孚的作用。MD模拟允许HM的交互属性的理解:Pb^{2 +}、汞^{2 +}、铁^{2 +}、锌^{2 +}和光盘^{2 +}离子在水里,观察到纳米管都是有效的在这些HM的数控水在电场下10⁸非盟。

2。文献综述

HM的生物污染增加,对世界上所有物种的代谢(44]。最贫穷的国家有更多的污染由于HM由于缺乏基本的卫生设施和环境中未经处理的废水的处理。(45]。

35中已知类型的金属,23元素原子半径在63.546和200.590之间,密度大于4.0克/厘米³、化学标准分为嗯。在这个类别,除了化学性质,这些金属光泽,良好的导热性,熔点和沸点高(46]这群无机元素,在任何浓度、高毒性和其他HMs需要控制不超过允许的最低浓度在环境和生物44]。

HM的一部分有毒对人体新陈代谢如铅,被认为是主要的环境威胁,因为它是在空气、水、灰尘、和土壤(47),在一些产品所使用的人,没有人知道它的风险操作和正确的处理(48]。仍然没有接触铅的安全水平,一个极其有毒的重金属,中毒的最大受害者是发展中国家儿童和孕妇49]。儿童中毒是不可逆转的,慢性和累积,损害认知障碍,学校和工作性能。(50]。

一些HM参与人体新陈代谢的最小浓度,称为微量元素。在这类铜、钴、铁、镍、镁、钼、铬、硒、锰和锌。这些金属不得超过血浆浓度上限,以避免风险的急性或慢性中毒(51]。

铜的日常要求范围从50到120毫克,80毫克是理想的一个70公斤的成年人的平均水平。一些组织需要更多的铜,如肝脏、脑、脾、骨和骨骼肌52)、肝脏和脾脏正在考虑储备器官。最低浓度的铜是必不可少的对于cuproenzymes copper-dependent酶的代谢功能,如细胞色素C氧化酶、胞质超氧化物歧化酶,赖氨酰化氧,酪氨酸酶,血浆铜蓝蛋白和多巴胺β羟化酶(20.]。这些酶催化氧化磷酸化相关生理反应,自由基失活,胶原蛋白和弹性蛋白的生物合成,黑色素形成、凝血、铁代谢,儿茶酚胺合成(53),激活免疫反应在儿童和青少年中,锌和钒有助于调节胰岛素的葡萄糖代谢活动;然而,这些金属必须在既定的范围内对健康是有益的(54]。

过度HM体内引起内分泌干扰,精神障碍,破坏血细胞,妥协和呼吸道,肝、肾疾病的活力所有系统(55,56]。HM的渐进积累导致神经肌肉缓慢进展的退化过程,模拟的痴呆或帕金森症和阿尔茨海默氏症的症状(57,58]。从长远来看,国会议员或其化合物的积累破坏核酸,引起突变,行为障碍(自闭症,注意力不集中和多动症,攻击性)、心脏病、肾病和癌症和干扰生殖过程(51]。

保持环境平衡有关的毒性嗯,有必要寻求化学安全的环境,通过实施流程,以确保人类健康和环境安全的(52]。世卫组织国际化学品安全项目(ICSP) [44)建立科学基础化工产品的管理和加强安全标准对自然元素,以及覆盖所有情况的接触,考虑到自然发生的环境,直到提取或合成、工业生产、使用、重用和处理(59]。

使用单壁问或multiple-walled过滤HM离子水溶液NF流程是有效的其他污染物(60- - - - - -63年]。在传感器用于检测HM [35,36),有的高灵敏度来确定污染的类型和水平,基于三维混合电极系统在问64年]。嗯或其化合物检测后,将选择分离方法,如化学沉淀的使用(65年)、反渗透(31日),过滤45),吸附在活性炭66年),使用的吸附剂如硅酸铝(67年,68年),或进程oxy-reduction [69年]。

问和单壁BNNT纳米结构用于数控HM离子水溶液在医学研究和展示了好的结果(30.];然而,BNNT已经超过了碳纳米管的性能在某些属性。BNNTs都过渡委员会的性质以及优质的热稳定性和化学惰性(70年]。与聚合物混合,BNNTs可以用来加强合成纤维,超过电阻相同的35%时,纤维增强问;然而,许多研究仍需要更好地理解界面的应力与这两种聚合物纳米管(71年]。在医学上,使用碳纳米管是良好的生物材料,而对于BNNT,生物相容性尚未确认(33]。

2.1。纳滤

NF膜用于回收废水,要求在NF过程中流动和能量率高(66年]。反渗透是最理想的分离离子去除方法(67年),但它不会删除单价离子。NF可以根据它们的大小区分分子或价72年),通常用于删除bi -或三价离子从水因为他们代表“水固体的一部分。“膜NF的主要缺点在于毛孔的阻塞(发起与有机分子,结合其他分子,防止NF),这一过程被称为污染(73年,74年]。这个街区降低物质的流动,降低了膜的生活,要求机械或化学清洗(75年,76年]。分离过程结合的可调英孚NF膜是研究和表示电子过滤(EFT) [77年),汇集了两个驱动力:压力和EF主要用于分离带电分子或粒子电78年]。EFT通过捕获污染物加载在膜孔在EF的帮助。电渗透流的叠加产生的英孚也有助于改善渗透流(60]。通过膜的离子电流依赖于运动的离子通过细胞膜的毛孔,这一过程被称为渗透。在纳米管水的运输方式可以预测使用EF,影响水分子的电偶极子给他们一个方向(79年]。

为了理解的过程模拟数控水在纳米管,有必要了解纳米管必须有足够的直径允许更大的水分子的流动,这也促进了交通的固体分子模拟,墙上没有摩擦的问80年]。方向采取的水分子在碳纳米管的应用引起的现象和外部纵向EF的NT增加内部流动的速度(因为它作用于一个系统,也有一个电荷)和驱动水的分子的方向正极与电子力作用在HM离子由于静电吸引的EF通常会直接,由于氧的电负性81年]。

氢键的相互作用的复杂性在水82年),不可能进行真正的实验用水高强度电场(83年,84年)的一些原因,要求进步的医学领域的仿真研究。

化学计量学的MD模拟,氢键和分子取向进行变化由于温度的增加或增加强度的电场85年),这些氢键可以稳定分子的电偶极子的垂直的方向EF (86年]。分子系统目前的动作发生在不同的时间尺度,同时考虑分子间和分子内的力量。造成的效应分子在纳米管的旋转产生隐失场(87年),这种作用发生在纳米管的城墙。英孚不作为电磁波传播,但其活动空间集中在纳米管的墙壁,也作为“力陷阱”功能或阀。离子在纳米管的轨迹可能相当复杂,并应用EF陷阱可以带电离子的影响(88年]。

2.2。材料和方法

为了执行的计算机模拟研究中,问的这两个单壁扶手椅结构和BNNT第一建模,因为这种结构有更好的进行能量的能力。91.052问建模与1064原子,在长度和直径10.081;BNNT收到建模1162原子,以长度为91985 A和12.691直径测量。很难建立两个不同性质的纳米管的直径和长度。我们比较结果以一种非常通用的方式的NF两个纳米管由于在这些直径差异百分比为20.6%。

HM离子和水分子在高斯建模09软件。然后,Hyperchem 7.5的构象分析软件研究分子通过不同的构象,以减少每个分子的能量。互动循环能源最小化应用单独为每个分子结构(89年]。能量的收敛性判据梯度是0.01千卡/(摩尔)。

我们用分子力学的方法论与力场的流程和参数化和分子连接。系统由100个水分子为每个离子存在,80年进行了模拟,NTC 40分子水,40 BNNT分子水。描述了分子间作用力的势能,动能,和热容量功能,以及长度和角度的氢键和不具约束力的交互。能量最小化之后,构象分析(90年)的分子进行,系统的搜索是为双面角的值的可转动的连接(91年),探索分子的空间构象,因此找到一种低能量的安排。

一旦得到了更稳定的分子结构,医学博士的计算,基于MM +力场,计算能量的交互,牛顿运动方程。方程被用来预测所有原子的位置和速度在每一个时间间隔。因此,医学博士进行了系统的近似温度300 K,在模拟略有不同但控制的NPV合奏(91年,92年]。EF的外表面应用纵向恒定强度的两种纳米管和真空,所以纳米管期间保持严格的模拟,而水分子和离子放松。

每个模拟100 ps的持续时间,他们进行了八个均匀电场的作用下10之间¹非盟和10⁸非盟( )。研究允许计算的一些物理特性,如动能(郑伊健),势能(EPOT)和总能量(ETOT)。HM离子汞^{2 +}、铁^{2 +}、锌^{2 +}、Cd^{2 +}和铅^{2 +}。各重金属的离子被放置,单独与水分子在纳米管。每组的分子受到了16个模拟过程,BNNT 8在全国过渡委员会和8。

仿真都使用了类似的MD杨等人提出的方法。77年和否决权等。79年]。医学方法计算分子的轨迹暴露在EF的电场。

3所示。结果与讨论

HM NF的MD模拟碳纳米管不同的分子构象能的影响评估外部EF问和BNNT HM离子之间的相互作用,纳米管的内表面和水分子。图1展示了NF过程作用下导致的EF HM离子的保留在纳米管内部,通过和回流水分子,在实验中,高动能。水分子的流动不同于分子,通过室内和返回到英孚由于内部与其他水分子碰撞,HM离子、纳米管墙。有利的方向流动的水分子在EF是对纳米管的阳极由于氧原子电负性;然而,英孚也增加了水分子间的相互作用,因此NF倾向于被吸引到积极的波兰人也促成了这一效应。

英孚电子力影响运输水分子在问和BNNT,但大小的影响,化学结构,分子的静电势,系统生成内部费用时EF。纳米管模拟研究固体分子在水中的传输报告的重要性的内部电荷模拟系统的总能量。捕获重金属离子的影响是由于EF应用的强度与水分子的分子间和分子内的部队和HM离子。这些力量更强烈的金属离子,良导体的能量;在最近的水分子纳米管的墙壁,有损耗的影响,暂时保留这些分子在碳纳米管(34,35]。

英孚的影响在问NF和BNNT HM离子的动能记录在图中2(一个)问和图2 (b)BNNT。电场的作用在纳米和分子系统在仿真期间能够捕获离子和水分子,导致他们中的大多数被逐出值高的纳米管内部的速度和动能。一般而言,在这两种纳米管,动能的增加是英孚的强度成正比,但在这两种纳米管分子重量和原子密度较低(铁和锌),他们表现出更大的动能和势能的变化。然而,有小的变化的线性增长动能,如2 +锌离子的情况下,由于分子内重排不变的纳米管。两个分子重量和分子密度较高的显示小动能(铅和汞)的变化。金属离子的动能(电荷)EF直接成比例增加,因为它遵循经典的电力( )。

的原位温度系统的评估,因为电场影响分子的热容量即使《不扩散核武器条约》整体应用,因为它们是变化的强度和一般控制的系统。这些变化发生在最初的仿真皮秒的时间。的原位HM离子温度模拟显示在图3(一个)问和图3 (b)BNNT。热容量是除以物质的数量,质量,或体积;因此,这个值不依赖于分子的大小或扩展,不保持不变。其他系统变量如温度和压力在这个实验中保持不变。EF的热容量随应用程序,尽管这个领域是一致的,因为它导致分子的动能增加,增加了系统的总能量。因此,英孚的增加是一个系统的决定性因素原位温度。在碳纳米管中,镉、铁和铅最高温度原位,紧随其后的是铅;这些离子是最BNNT电负性,铅、镉和锌。

评估运输水分子在问和BNNT,在电场的影响下,一系列的16个模拟相同的边界条件,没有包含HM离子进行,但没有金属离子的存在(图4)。它试图知道水分子过滤的百分比在问BNNT,了解英孚的HM分子作用下是否和纳米管内壁影响承压水的运输。我们试图评估水分子过滤的百分比的影响下EF和范德华力。

水分子的偶极矩允许EF的强度影响其流动方向(80年,93年]。水分子的排列由EF导致先前存在的氢键会变得不稳定,休息。氢键和范德华力之间的平衡会引起分散分子簇,因为EF减少氧和氢之间的分子键的长度,导致水分子的稳定性的变化,振动频率,离解能影响分子在纳米管的百分比。有更好的收益NF BNNT因为虽然都是疏水性,BNNT化学结构的增加程度的疏水性,这导致了驱逐更多的水比在问90年]。EF对水动力的影响,产生流动EF的增加成反比,是建立在这些条件下,以及推动效应的水运输的分子在纳米管大小有关,化学结构,分子的静电势过滤。

HM的NF分子图5(一个)问和图5 (b)对于BNNT确认EF和的纳米管结构的影响(BNNT和问)用来将水从HM离子;然而,结果表明,BNNT和碳纳米管都是有效的留住HM离子。它们之间的差异是由BNNT的更大的疏水性和热导率。英孚的效果在HM 10⁸非盟对过滤就足够了。除了意味着降低能源消耗系统旨在独立坚持HM在废水传统NF,纳米管执行这种分离;评估参数,然而,在有更好的效率NF BNNT碳纳米管,但是差异不会导致更换BNNT问,因为两者都是有效的。纳米管的选择也应考虑到NF系统的成本预算。

HM的捕获离子修改NC膜组成的碳纳米管是以前的研究的主题和得出的结论是,相同的金属离子检测几乎100%被困在NBBT [62年];在这项研究中,有一个更好的性能的Cd^{2 +}离子(5]。碳纳米管,由于其属性,保持中立,暂时负责NF的使用,显示更好的捕捉Pb^{2 +}离子,最高浓度检查。最小温度下降造成的金属流动和热膜的能力由于水垢的重力。

过滤后的水分子的数量低于BNNT由于分子间作用力对问礼物(94年]。纳米管有疏水的潜力;然而,BNNT吸附性能优于问由于其更大的电子转移在墙上。HM的吸附能BNNT直接相关的疏水性分子(95年]。

在Pb BNNT纳滤的影响^{2 +}离子是不好的,因为铅是最重的,应用电力的影响不大( )。去除效果更好,当电场(EF) 10⁸盟,因为幻灭效果较小。EF越大,损耗效应就越大。幻灭效应产生的轴向旋转运动所有水分子和HM在纳米管内部,从而减少纳滤的水分子,增加动能进行纳米管内部的轴转。英孚的影响在HM NF 10⁸非盟为HM过滤在EF英孚是最好的范围。

最近的研究对承压水带来的结果对氢键的影响和改变这种行为在外部电荷的存在96年]。有趣的是提到氢键占很大一部分的水分子的相互作用。承压水的氢键,在英孚,不同于债券建立在自由水,因为后者债券是稳定和原子之间发生在较短的距离89年,91年)显示在图6。

承压水MD的特点是灵活的氢键(97年)不稳定的债券(他们很快破裂和氧化还原)。NT的影响表面和水隔离要求MD模拟进行NT直径10到12.2之间,以促进水的扩散和摩擦的内表面NT (98年]。承压水需要最小空间交替两个几何形状的分子安排在封闭和开放链(99年]。

纯净的水是电的不良导体,但其自由离子被吸引或吸引其他分子。英孚,根据强度,可以导致电解(One hundred.,101年]。之前的研究表明,金属电极应用于水,即使在低强度,导致水分子的取向和干扰的定位原子,可以吸引或排斥。类似的方向会发生表面矿物质含有交替积极和消极指控,在电场的影响。

由于部分共价氢键在水里,HM离子很容易分布在EF的作用下聚集增加分子间作用力(102年,103年]。碳纳米管和氮化硼取得更高水平的水流与碳纳米管相比,因此预计将提供一个更有效的净水设备。

4所示。结论

离子化合物在水中可溶性的行为进行了分析,与碳纳米管和交互作用下BNNT EF。HM的捕获离子在NF过程是有效的在这两种纳米管,但系统的分子间作用力,允许不同的过滤流,通过过滤离子。比例最高的顺序的水分子过滤NF的离子是问Pb^{2 +}、Cd^{2 +}、汞^{2 +}、锌^{2 +},菲^{2 +}。在BNNT的情况下,他们的Cd^{2 +}、铁^{2 +}、汞^{2 +}、锌^{2 +}和铅^{2 +}。在这个模拟、热化学稳定性BNNT证明在EF应用中优于问。热力学性质的差异被发现问BNNT,如动能和势能,除了提高系统的热容量,BNNT显示更加稳定在比问的所有参数。损耗效应观察接近问和BNNT内壁,造成EF的强度的交互作用和内部电荷的分子。幻灭效应产生的轴向旋转运动所有水分子和HM在纳米管内部,从而减少纳滤的水分子,增加动能进行纳米管内部的轴转。这种效应暂时保留水分子接近纳米管。离子捕获通过问与一逝有吸引力的潜在的影响。EF越大,损耗效应就越大。因此,可能,纳滤可能得到更好的价值小英孚。这项研究的结果可以作为理论基础的发展贡献NF膜系统HM离子的去除受污染的水域。

数据可用性

支持本研究使用的数据都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

所有作者设计和开发研究。所有作者阅读和批准了最终版本的手稿。

确认

作者承认研究生院长的支持(PROPESP)的联邦大学的帕拉(UFPA),协调改善高等教育的人员(披肩),国家科学和技术发展委员会(CNPq),以及实验室的纳米材料的制备和计算(LPCN)博士教授安东尼奥·m·j . c .否决权的贡献和灵感通过他的作品《重金属纳滤使用纳米管和电场通过分子动力学,展出Electrochem 2019会议,格拉斯哥。

补充材料

表1:数值的问动能(千卡每摩尔)(图2(一个))。表2:数值的BNNT动能(千卡每摩尔)(图2 (b))。表3:问原位温度(K)表指图的数值3(一个)。表4:BNNT原位温度(K)图的数值3 (b)。表5:驱逐值NTC的图5(一个)。表6:驱逐的BNNT值图5 (b)。表7:比例的水分子驱逐了在不增加离子(图4)。(补充材料)

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