揭秘PFAS污染物的新型吸附机制:碳链越长,污染越难清除?

文摘   2024-09-26 13:55   四川  
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PFAS热点研究早知道


第一作者:Mengru Zhang


通讯作者:A. Ozgur Yazaydin


通讯单位:伦敦大学



中文标题:全氟烷基链长和酸基类型对水中 PFAS 吸附的影响.

英文标题:The effect of perfluoroalkyl chain length and the type of acid group on PFAS adsorption from water.

摘要详文

全氟烷基物质和多氟烷基物质 (PFAS) 的广泛使用会带来重大的生态和健康风险,因为它们在环境中不可降解,并且会在人体中产生生物累积。在这项工作中,我们进行了系统的计算研究,以揭示全氟化碳链长度和酸头基团类型对水中 PFAS 吸附机理的影响。我们考虑了链长为 3 至 8 个全氟化碳的全氟烷基羧酸 (PFCA) 和全氟烷基磺酸 (PFSA) 在疏水性全硅沸石 Beta 中的吸附。分子动力学 (MD) 模拟结合增强的采样计算表明,PFCA 和 PFSA 的吸附自由能随着全氟化碳数量的增加而降低。计算的自由能进一步表明,水中的阴离子 PFCA 和 PFSA 必须克服相当大的界面能垒才能吸附在疏水孔中。随后的从头开始 MD 模拟表明,PFCA 和 PFSA 在水-沸石界面处获得质子,并最终以中性形式被吸附。将客体-主体相互作用能分解为疏水性和极性成分表明,疏水性相互作用在 PFCA 吸附中占主导地位,而极性相互作用在 PFSA 吸附中占主导地位。这是由于磺酸产生更强的静电相互作用以及全氟化碳链中电子密度分布的重排,从而使得疏水相互作用相对较弱。我们的研究表明,应使用提供优化疏水性和极性相互作用的吸附剂组合来捕获水中的多种 PFAS。

图文摘要


图文速览

图 1. (a) 单个 PFAA 分子从水(浅蓝色区域)吸附到 Beta 沸石的 FE 计算装置,(b) Beta 沸石板的横截面视图(𝑥–𝑦 平面)。



图 2. PFCA(𝑛 = 3–8)和 PFSA(𝑛 = 4、6、8)的吸附坐标函数 FE 曲线(a)处于去质子化状态,(b)处于中性状态,从水进入沸石 Beta.


图 3. 水-沸石 Beta 体系中去质子化 (a) PFBA、(b) PFOA、(c) PFBS 和 (d) PFOS 单个分子的轨迹与 z 坐标的关系。


图 4. (a) AIMD 模拟中液态水中 PFOA 去质子化的快照,(b) PFOA 阴离子从水-沸石 Beta 界面被拉入沸石 Beta 孔隙的初始和最终(40 ps)构型,(c) PFOA 阴离子约束在沸石 Beta 内的初始和最终(40 ps)构型。

主要发现

本研究的创新之处在于系统性地量化了全氟和多氟化合物在不同链长和酸性头基条件下的吸附行为,特别是在全硅沸石Beta这种非极性吸附剂上的吸附机制。通过分子动力学模拟和自由能分析,作者首次证明了PFAS吸附的自由能随着碳链长度的增加而降低,同时揭示了羧酸类PFAS的吸附主要依赖于疏水相互作用,而磺酸类PFAS的吸附则更多依赖于极性相互作用。这一发现为未来的吸附剂设计提供了理论支持,特别是在选择合适的吸附剂以同时捕获不同种类的PFAS方面。此外,该研究还通过计算和模拟表明,PFAS在水和沸石界面处能够通过获取质子转变为中性,从而更容易被吸附。


文章DOI:10.1016/j.cej.2024.155851
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The End


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