超声波强化单壁碳纳米管吸附酚类污染物的关键技术研究

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由于含有酚类化合物的工业废水具有浓度高、毒性大、不易降解等特性,因此如何高效去除水中酚类污染物一直是污水处理技术领域的研究热点。最近,超声波协同吸附分离技术的出现为高效处理含酚工业废水提供了新思路,与传统的吸附技术相比,超声介导吸附技术具有分离效果明显、运行成本低、无二次污染等优点,但是,目前该技术在原子水平上的行为机制以及影响因素尚不清楚,使其在不同的工况下效果差异显著,进而限制了该技术在实际工程中的应用。针对这一问题,本文采用全原子分子动力学(MD)模拟与实验相结合的方法,从分子相互作用层面研究了超声波对单壁碳纳米管吸附疏水性酚类污染物(苯酚)以及亲水性酚类污染物(对乙酰氨基酚)的影响机制,为超声波协同吸附法处理含酚工业废水技术的工业化应用提供了理论支撑。本文的研究内容为:(1)为探究超声波强化单壁碳纳米管吸附疏水性酚类污染物(苯酚)的行为机制,采用分子动力学模拟方法,通过对不同频率超声波下碳纳米管与苯酚之间以及苯酚与水分子之间的径向分布函数、碳纳米管与苯酚之间的相互作用能、溶液中的氢键网络、以及碳纳米管周围水分子密度等参数的计算,分析碳纳米管周围苯酚分子的吸附分布情况,并据此研究超声波对碳纳米管吸附疏水性酚类污染物特性的影响。(2)为探究超声波强化单壁碳纳米管吸附亲水性酚类污染物(对乙酰氨基酚)的行为机制,本文采用了分子动力学模拟方法,研究了对碳纳米管吸附对乙酰氨基酚的影响。通过对不同频率超声波下碳纳米管与对乙酰氨基酚之间以及对乙酰氨基酚分子与水分子之间的径向分布函数、平均力势、溶液氢键结构、碳纳米管与苯酚之间的相互作用能等参数的计算,分析碳纳米管周围对乙酰氨基酚分子的吸附分布情况,并据此研究超声波对碳纳米管吸附亲水性酚类污染物特性的影响。(3)为进一步验证MD仿真模拟结果,设计并搭建超声耦合吸附水处理实验平台,进行超声协同单壁碳纳米管吸附水中酚类组分的动态实验,通过对比有、无超声负载两种情况下,经单壁碳纳米管饱和吸附后溶液中的酚类成分残留量,分析超声波对吸附效能的影响,进而实现MD仿真结论的验证。
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