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Cd（ll）、Zn（ll）离子以及PFOS、PFOA在金红石(110)面上化学吸附的密度泛函研究

作　者: 钟炳伟
导　师: 夏树伟
学　校: 中国海洋大学
专　业: 海洋化学工程与技术
关键词: 密度泛函金红石 Cd(Ⅱ) Zn(Ⅱ) PFOS PFOA 吸附
分类号: O647.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自然环境中,重金属不易被代谢、易被生物富集并有生物放大效应等特点,严重威胁人类和水生生物的生存。Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)离子是两种典型重金属污染物,全氟有机物(Perfluorinated Compounds PFCs)是一类新型持久性有机污染物,广泛应用于民用和工业产品。PFCs具有持久性、生物累积性、毒性以及能长距离迁移的特性。这两类污染物在矿物表面的吸附-解吸行为影响其存在状态和毒性。金红石TiO2是一种很强的重金属吸附剂。为了解有效地去除水体中的重金属污染物和全氟有机化合物,进行了Cd(H2O)42+、Zn(H2O)42+和PFOS、PFOA在金红石(110)晶面上化学吸附的详细研究,并得到了吸附的稳定构型。本论文采用周期性边界条件的密度泛函理论研究了金红石体相(110)晶面,特别是动态模拟Cd(H2O)42+和Zn(H2O)42+在此晶面的吸附过程.两类污染物在金红石(110)晶面上反应都进行吸热反应并且反应的活化能较高。本论文采用周期性边界条件的密度泛函理论(DFT)研究了Cd(H2O)42+和Zn(H2O)42+在金红石(110)晶面上各种可能吸附构型及其吸附稳定性。结果表明,Cd(H2O)42+在金红石(110)面上各吸附构型的稳定性顺序为：DC1>SC1>SC2>TC>SE>DC2,不符合鲍林第三规则；Zn(H2O)42+的各种吸附构型稳定性顺序为：DC1>SC1>DC2>SC2>SE>TC,符合鲍林第三规则。Zn(H2O)42+在金红石(110)面上吸附比Cd(H2O)42+吸附更稳定。动态模拟了水合Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)离子以DC1的吸附构型在金红石(110)面上的吸附过程,获得吸附势能曲线,两者的吸附微观状态不同导致了吸附—解吸行为的差异。本文采用量子化学密度泛函理论(DFT)中B3LYP方法在6-31G(d,p)和6-31+G(d,p)基组从微观的角度上对PFOS与PFOA进行基态和激发态的结构性质研究。结果表明,在激发态下PFOS与PFOA更利于方生反应,且计算了不同形式的跃迁,得出PFOS和PFOA分别在波长为173.95nm和174.46nm处,有最强振荡强度,能够发生单重态跃迁。最后,本文研究了PFOS和PFOA在金红石(110)晶面上的吸附构型,得到了两种有机污染物吸附前后的键长变化以及两种吸附构型的吸附势能。研究表明,PFOS与PFOA都是通过公用氧原子在金红石(110)表面发生吸附,由于共轭作用的影响,使没有氢的羟基相连Ti-O键长都有缩短趋势,而不论C-O和S-O都趋向双键的形成,比较两种吸附构型的吸附势能,对于PFOS,得到两种吸附构型稳定性顺序：SC>DC；对于PFOA得到两种吸附构型稳定性顺序：DC>SC。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 前言  11-17
  1.1 引言  11-13
  1.2 TiO_2的简介及晶体结构  13-16
    1.2.1 TiO_2的简介  13-15
    1.2.2 金红石TiO_2的晶体结构  15-16
  1.3 本论文研究目的和意义  16-17
2 理论基础和计算方法  17-37
  2.1 量子化学  17-29
    2.1.1 从头算方法(Ab initio methods)  19-20
    2.1.2 半经验(Semiempirical)  20-21
    2.1.3 密度泛函(Density Functional Theory,DFT)  21-29
  2.2 基组的选取  29-31
  2.3 激发态计算方法  31-34
    2.3.1 激发态计算方法的分类  31-32
    2.3.2 激发态计算方法的选择  32-34
  2.4 CASTEP背景理论  34-37
    2.4.1 电子-离子相互作用的赝势描述  34-35
    2.4.2 超晶胞方法  35-37
3 Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)离子在金红石(110)面上化学吸附的密度泛函研究  37-51
  3.1 引言  37-38
  3.2 计算方法  38-39
  3.3 结果与讨论  39-50
    3.3.1 Zn(H_2O)_4~(2+)与Cd(H_2O)_4~(2+)几何构型  39
    3.3.2 Zn(H_2O)_4~(2+)与Cd(H_2O)_4~(2+)在金红石(110)面上的吸附  39-46
    3.3.3 Zn(H_2O)_4~(2+)与Cd(H_2O)_4~(2+)以DC1吸附构型在金红石(110)面上吸附势能  46-50
  3.4 结论  50-51
4 PFOS与PFOA的密度泛函研究  51-59
  4.1 引言  51
  4.2 计算方法  51
  4.3 结果与讨论  51-57
    4.3.1 PFOS和PFOA基态和激发态几何构型优化  51-53
    4.3.2 PFOS、PFOA的结构分析  53-57
  4.4 结论  57-59
5 PFOS与PFOA在金红石(110)面化学吸附的理论研究  59-67
  5.1 引言  59-60
  5.2 计算方法  60
  5.3 结果与讨论  60-65
    5.3.1 PFOS与PFOA的结构优化  60-61
    5.3.2 PFOS与PFOA在金红石TiO_2(110)面上的吸附  61-65
  5.4 结论  65-67
6 总结  67-69
  6.1 主要研究成果  67-68
  6.2 创新之处  68
  6.3 不足与展望  68-69
致谢  69-71
参考文献  71-80
个人简历  80
已发表的学术论文  80

Cd（ll）、Zn（ll）离子以及PFOS、PFOA在金红石(110)面上化学吸附的密度泛函研究

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