典型持久性有机污染物在石英砂纳米孔中的分子行为模拟

摘要

经过长期的生产和使用，持久性有机污染物已经在各类环境介质中普遍存在，并通过食物链不断累积，对环境安全和人类健康构成了重大威胁。土壤和沉积物属于多孔介质且富含多种土壤有机质，由于持久性有机污染物具有较强的疏水性，土壤和沉积物成为其最主要的存储源和再释放源。本文利用分子模拟手段，选取两种典型的持久性有机污染物，16种多环芳烃和5种多溴联苯醚，建立4种孔径（2.0nm、2.5nm、3.0nm、3.5nm）的石英砂纳米孔模型，研究污染物在石英砂纳米孔中的分子行为，计算能量和均方位移等参数，并利用孔径变化模拟土壤的物理老化过程。
　　在多环芳烃的吸附体系中，随着孔径的增大，体系能量升高，当孔径从2.0nm增大到3.5nm时，模拟系统的势能和非键能分别提高28.5％和25.4%。多环芳烃混合物在纳米孔中首先会紧贴着孔内壁吸附，当孔径从3.5nm缩小到2.0nm时，孔内自由体积分数由49%下降到4%。多环芳烃与石英砂纳米孔之间的吸附作用以范德华力为主，库伦静电力对总体吸附的贡献在30%以内。孔径的缩小严重束缚了多环芳烃的分子扩散性能，在2.0nm孔中多环芳烃的均方位移值最大不超过125，而在2.5nm中均方位移的值可达到700。多变量分析表明，多环芳烃在纳米孔中的吸附和扩散是诸多因素交互影响的结果。在多环芳烃的萃取体系中，通过正己烷和环糊精两种溶剂的萃取模拟可知，土壤的老化会增大萃取难度。
　　在多溴联苯醚的吸附体系中，孔径的缩小也降低了体系的总势能和非键能，使其体系更加稳定；然而多溴联苯醚与石英砂之间的吸附能随孔径的缩小而增大，且该吸附能以范德华力为主，占体系吸附能的84.0%。土壤有机质LHA和SRFA的加入则导致体系的总势能和非键能，以及多溴联苯醚与石英砂之间的吸附能均降低。虽然与石英砂孔内表面的吸附能降低有利于多溴联苯醚分子的迁移，但由于土壤有机质与多溴联苯醚之间的吸附作用占主导，抑制了多溴联苯醚在纳米孔中的扩散，因此多溴联苯醚的均方位移值反而降低。在多溴联苯醚的分配体系中，3.5nm的大孔中分配能与分配系数可以拟合为线性关系。

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前言

第一章 文献综述

1.1 持久性有机污染物综述

1.1.1持久性有机污染物

1.1.2多环芳烃

1.1.3多溴联苯醚

1.2POPs在污染土壤中的迁移与传递

1.2.1吸附

1.2.2溶剂萃取

1.2.3 相分配

1.3分子模拟概述

1.3.1分子模拟的种类

1.3.2分子动力学

1.3.3量子力学

1.3.4硬件平台

1.4研究目标与内容

1.5 研究路线

第二章 PAHs在石英砂纳米孔中的分子行为模拟

2.1 引言

2.2 研究方法

2.2.1吸附模型

2.2.2分子动力学模拟

2.2.3模拟结果分析

2.2.4统计学分析

2.2.5萃取模型

2.3结果与讨论

2.3.1系统平衡

2.3.2吸附与扩散

2.3.3多变量分析

2.3.4萃取结果分析

2.4 本章小结

第三章 PBDEs在石英砂纳米孔中的分子行为模拟

3.1引言

3.2研究方法

3.2.1 PBDEs和SOM分子模型

3.2.2吸附模型系统

3.2.3分配模型

3.3结果与讨论

3.3.1系统平衡

3.3.2吸附能分析

3.3.3 MSD曲线分析

3.3.4分配结果分析

3.4 本章小结

第四章 结论与展望

4.1结论

4.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢