多聚体Fe(Ⅲ)-氢氧化物吸附水中As(Ⅴ)的理论研究

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砷(As)是一种有毒的、具有致癌性的、被列为优先控制的类金属元素。砷在自然界中广泛存在,其主要来源有地质成因和人为活动。因此,砷及其化合物对人体造成的危害以及对环境的污染已经引起了人们的普遍关注。这也导致了砷的防控与治理成为国际上的重点研究方向。此外,在众多除砷方法中,吸附法具有材料来源广泛、操作简单易行、去除效率高、成本低、环境友好等优点,这使得吸附法在净化除砷方面备受国内外环境研究者的青睐。而在众多金属及其金属(氢)氧化物吸附材料中,Fe(III)-氢氧化物因其具有高比表面积、强反应活性等特点而被广泛用于治理重金属,并且已被证明是高效的吸附材料。因此,本文以单体、二聚体和三聚体Fe(III)-氢氧化物配合物为主要研究对象,结合实验红外光谱分析,采用密度泛函理论方法和Gaussian 09程序包对其吸附As(V)进行了理论计算研究。首先,模拟与设计这些物质结构,并进行几何优化。然后,筛选出最佳的稳定结构,并对这些物质的结构、成键性质、轨道相互作用和吸附能等相关性质进行了计算与分析。通过对单体、二聚体和三聚体吸附体系的研究,得出的主要结论如下:(1)结构对比分析可知,吸附前后,单体、二聚体和三聚体Fe(III)-氢氧化物配合物的Fe-OH键长发生了改变。与Fe-O-As键邻近的Fe-O和As-O键的键长均有所减短。这也说明了形成的吸附体系是稳定的。(2)成键和稳定性分析结果表明,Fe与O原子主要是以3d和4s轨道或3d,4s和4p轨道参与成键,而As与O原子主要是以4s和4p轨道参与成键。此外,s、p和d轨道之间的杂化目的是形成稳定的化学键,进而增加了单体、二聚体和三聚体吸附结构的稳定性。稳定性分析得出,单体的齿边缘共享(2E)-FeO2As(OH)2(结构1-3)、二聚体的齿边缘共享(2E)-Fe2O2As(OH)2(结构2-3)和三聚体的齿边缘共享(2E)-Fe3O2As(OH)2(结构3-3和3-4)吸附体系结构的稳定性相对更好。(3)红外光谱分析结果表明:在所得到的振动频率中,Fe-OH和As-OH键上的H原子的吸收强度相对最大。而且As(V)吸附在单体、二聚体和三聚体Fe(III)-氢氧化物表面后形成了新的吸附体系结构。在水环境中,Fe(III)-氢氧化物可能是以二聚体和三聚体形式为主要的存在结构。(4)热力学分析结果表明:在水溶液中,单体、二聚体和三聚体Fe(III)-氢氧化物结构可以稳定存在,在一定条件下能够相互转化。并且主要是以二聚体和三聚体Fe(III)-氢氧化物的形式存在。
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