碳基材料的三维模型构建及其与有机污染物相互作用的描述

基本信息
批准号:41907322
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:25.00
负责人:陈全
学科分类:
依托单位:昆明理工大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
相互作用碳基材料理论计算有机污染物三维结构模型
结项摘要

Understanding the interactions between organic pollutants and carbon-based particles is essential to predict the environmental behavior and potential health risk of organic contaminants in the environment. The theoretical calculations provide a powerful tool to reveal their interaction mechanisms. However, the traditional modeling concepts did not consider the three-dimensional structures of the carbon-based materials, which restricts the in-depth understanding of the sorption/desorption hysteresis and sequestration of organic pollutants. Therefore, this project intends to construct three-dimensional structures for several typical carbon-based materials (activated carbon, biochar, carbon black and humus). Based on the all-atom models or all-atomized micelle clusters, these three-dimensional structures will be constructed through changing the pore size, building the hollow pathway and modifying the interface after functional group manipulations and dynamic relaxation. Based on the constructed model, the interaction mechanism between these carbon-based materials and organic pollutants will be studied by simulating systematically, the thermodynamic and kinetic parameters, adsorption energy, and electronic transfer direction will be acquired. At the same time, the experimental parameters related to adsorption capacity, kinetics, and diffusion rate will be obtained through the specially-designed adsorption studies. The model-calculation and experimental results will be combined to identify and quantify the contribution of the individual adsorption mechanisms. This proposed research will break through the limitation of the traditional two-dimensional modeling concept. The proposed three-dimensional structural models will greatly benefit the research on the mechanism of adsorption and retaining organic contaminants by carbon-based materials. The outcome of this research can shed light on the mechanism of nonideal behavior of organic contaminants and thus guide the development of techniques for the effective control of organic pollution, for the eventual goal of ensuring human health and ecological safety.

有机污染物与碳基颗粒间的相互作用是影响其行为和风险的关键因素,理论计算的引入虽然为相关领域的研究提供了强有力的工具,但是传统理论计算缺少对碳基材料三维结构的描述,制约了对有机污染物解吸滞后、锁定/残留的深入理解。本项目拟以几类典型碳基材料(活性炭、生物炭、炭黑和腐殖质)为模型物质,在构建全原子模型或者全原子胶束团簇的基础上,挖空构建孔道、官能团修饰和动力学弛豫,构建碳基材料三维结构,系统模拟这些碳基材料与有机污染物之间的相互作用热力学和动力学参数,以及能量和电子转移等信息;在靶向性的吸附实验中,获取吸附容量、动力学和扩散速率、解吸滞后等参数,结合模型计算结果,识别并定量有机污染物吸附中各作用机制的贡献。本研究突破传统的平面微区吸附研究,立足于三维结构,从宏观和微观角度解析碳基材料吸附固定有机污染物的机制。项目研究成果可指导高效有机物污染治理策略的形成,进而保障人体健康和生态安全。

项目摘要

有机污染物与碳基颗粒间的相互作用是影响其行为和风险的关键因素,理论计算的引入虽然为相关领域的研究提供了强有力的工具,但是传统理论计算缺少对碳基材料三维结构的描述,制约了对有机污染物解吸滞后、锁定/残留的深入理解。本项目以几类典型碳基材料(活性炭、生物炭、炭黑和腐殖质)为模型物质,在构建全原子模型或者全原子胶束团簇的基础上,挖空构建孔道、官能团修饰和动力学弛豫,构建碳基材料三维结构,系统模拟这些碳基材料与有机污染物之间的相互作用热力学和动力学参数,以及能量和电子转移等信息;在靶向性的吸附实验中,获取吸附容量、动力学和扩散速率、解吸滞后等参数,结合模型计算结果,识别并定量有机污染物吸附中各作用机制的贡献。结果发现:(1)碳基材料二维结构特性和有机污染物的电子云密度和构型在吸附中起着关键作用,竞争吸附中竞争强度取决于吸附能和吸附位点的重叠;(2)碳基材料的自相互作用及孔隙都是影响吸附能力的重要因素,土壤NOM三维聚集体的形成及解体决定了对有机污染物的包裹和释放;(3)碳基材料的结构性质(氧化还原电势、持久性自由基、过渡金属及官能团种类)主导了对有机污染物的吸附和降解。本研究突破传统的平面微区吸附研究,立足于三维结构,从宏观和微观角度解析碳基材料吸附固定有机污染物的机制。项目研究成果可指导高效有机物污染治理策略的形成,进而保障人体健康和生态安全。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

DOI:10.15957/j.cnki.jjdl.2016.12.031
发表时间:2016
2

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

DOI:10.17521/cjpe.2019.0351
发表时间:2020
3

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
4

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

DOI:10.16285/j.rsm.2019.1280
发表时间:2019
5

中国参与全球价值链的环境效应分析

中国参与全球价值链的环境效应分析

DOI:10.12062/cpre.20181019
发表时间:2019

陈全的其他基金

批准号:21674117
批准年份:2016
资助金额:69.00
项目类别:面上项目
批准号:61602301
批准年份:2016
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目

相似国自然基金

1

碳基吸附材料中的自由基对有机污染物环境行为的影响

批准号:41673098
批准年份:2016
负责人:潘波
学科分类:D0707
资助金额:71.00
项目类别:面上项目
2

氮掺杂碳/过渡金属复合材料的构建及其催化生成硫酸根自由基降解有机污染物研究

批准号:21607130
批准年份:2016
负责人:曾滔
学科分类:B0604
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
3

极性有机污染物与碳基纳米材料的特殊作用对不可逆吸附的影响

批准号:20977050
批准年份:2009
负责人:陈威
学科分类:B0603
资助金额:36.00
项目类别:面上项目
4

煤化学链燃烧生成的有机污染物特征及其与铜基载氧体相互作用机制

批准号:21107040
批准年份:2011
负责人:尹雪峰
学科分类:B0603
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目