三种典型抗生素在氧化石墨烯/壳聚糖复合材料上的界面机理:实验和理论研究

本研究采用改进的Hummers/溶剂热法合成了壳聚糖接枝氧化石墨烯复合材料.氧化石墨烯-壳聚糖材料可以通过低速离心从混合液中分离,因此接枝提升了氧化石墨烯在水中的分离效率.然后通过实验和理论计算研究了氧化石墨烯-壳聚糖对四环素、诺氟沙星和磺胺嘧啶的吸附.在298K和最佳pH条件下的批实验中,氧化石墨烯壳聚糖对四环素、诺氟沙星和磺胺嘧啶的吸附容量分别为597.77、388.99和136.37 mg/g,远优于原始氧化石墨烯.光谱结果表明,抗生素与氧化石墨烯-壳聚糖的官能团(羧基、羟基和氨基)之间的相互作用是吸附过程的主要原因.此外,密度泛函理论计算表明静电相互作用和氢键对抗生素的吸附至关重要;前者对四环素吸附极为重要.该研究将为石墨烯基复合材料去除抗生素提供理论参考,为其在环境修复方面提供有前途的应用.

MXene/MnO_(2)对有机微污染物的类芬顿氧化降解效能与机理

芬顿高级氧化技术是降解有机微污染物的有效手段.过一硫酸盐(PMS)类芬顿技术因具有高效的氧化剂利用率和较宽的pH操作范围,已成为目前工业中过氧化氢芬顿技术的一种有前途的替代品.非均相催化剂能够有效活化PMS,产生多种活性自由基,从而氧化降解有机微污染物.二维过渡金属碳化物/氮化物(MXene)具有较好的电子传输效率和可调的表面官能团,是一种良好的非均相催化材料.然而,MXene的不稳定性、反应体系的自聚集作用和不明确的活性氧(ROS)生成机制极大地限制了它们在实际环境中的广泛应用.鉴于剥离的MXene中钛的高反应活性缺陷可以原位锚定过渡金属材料,本文通过氧化还原策略,将MnO_(2)纳米颗粒原位沉积在MXene纳米片上制备了MXene/MnO_(2)复合材料.X射线衍射图中(002)峰的偏移、透射电镜和电子衍射环图中交错的晶格条纹等表征结果表明,MnO_(2)纳米颗粒均匀地负载在剥离的MXene纳米片上.X射线光电子能谱证实了MXene表面钛缺陷与MnO_(2)纳米颗粒通过氧化还原作用相连接.同时,通过调整反应时间确定了18 h原位沉积制备的MXene/MnO_(2)具有最佳的产率和双酚A降解速率.此时的复合材料能够在4 min内活化PMS去除95.9%的BPA(50 mg/L),矿化效率达到了51.2%,表现出较好的催化性能.电子顺磁共振和淬灭实验结果表明,MXene/MnO_(2)活化PMS降解BPA为非自由基途径.实验观察结合密度泛函理论计算表明,大量暴露的锰位点有效吸附并活化PMS,从而促进了单线态氧的产生.通过高价Mn-oxo相直接生成1O_(2)的普遍途径具有较高的能垒(3.34 eV).相比之下,•OOH作为中间体产生1O_(2)的途径(1.84 eV)在能量上更可行.得益于MXene的快速电荷转移能力和MnO_(2)强PMS活化能力的双重优势,工程化的MXene/MnO_(2)/PVDF催化膜对京密引水渠河水中的有机微污染物表现出高效的活性和出色的长期稳定性.综上,本文通过氧化还原原位生长策略制得了MXene/MnO_(2)催化剂,并深入研究了其在类芬顿反应中催化降解有机微污染物的性能.通过实验表征和理论计算相结合的方法,揭示了该催化剂对有机微污染物的降解机理.本研究不仅为MXene基催化剂的设计和合成提供了新的思路,也为开发可广泛应用于实际水体中处理有机微污染物的催化剂提供了参考.

基于同位素的长治市大气环境PM_(2.5)和扬尘中Nd来源解析

钕元素(Nd)是一种典型的镧系元素,对人体肺部有一定危害,厘清大气环境PM25和扬尘中Nd的来源对其管控有重要意义.本研究采集了长治市2017年秋季、冬季和2018年夏季大气环境PM_(2.5)、道路扬尘和城市扬尘及其他典型污染源样品,采用MC-ICPMS测试了样品中Nd同位素比值(^(143)Nd/^(144)Nd),并使用贝叶斯同位素混合模型分析了环境受体Nd的来源.结果表明,汽油车尾气、柴油车尾气、燃煤、土壤和钢铁生产中^(143)Nd/^(144)Nd具有明显差异性,燃煤和土壤中同位素值低于现有研究,表明其具有地域性特征.基于同位素特征的源解析结果显示,燃煤、汽油车尾气、钢铁生产、土壤和柴油车尾气对长治市大气PM_(2.5)中Nd平均贡献率分别为25.5%、24.7%、20.8%、16.4%和12.6%,冬季采暖增加导致燃煤对PM_(2.5)中Nd贡献最高(29.3%),夏季钢铁生产过程贡献最高(25.7%),秋季汽油车尾气排放贡献最高(28.8%).道路扬尘中Nd主要来自柴油车尾气(25.8%),而城市扬尘中Nd主要来自土壤(25.1%).燃煤、柴油车尾气、汽油车尾气、土壤、钢铁生产等排放源对大气环境颗粒物中Nd的影响呈现明显的季节变化特征,本研究精确解析了大气环境PM_(2.5)和扬尘中Nd的来源,可为Nd的控制提供参考.

基于机器学习训练金属离子吸附能预测模型的研究

本研究通过密度泛函理论对氧化石墨烯和金属离子的吸附行为进行理论模拟。基于机器学习方法训练预测模型的过程中,缺失值采用推荐系统中广泛使用的奇异值分解方法处理,并用梯度提升机解释了影响吸附能的重要因素。结果发现吸附体系中存在九种特征可为吸附能提供90%的累积重要性,分别为离子半径、零点振动能量、密立根电荷、沸点、偶极矩、原子量、摩尔定容热容、自旋多重度和键长。定量评估了六种回归方法的预测精度,包括支持向量回归、岭回归、随机森林、极端随机森林、极端梯度提升和轻梯度提升机。结果表明,机器学习方法可提供足够的吸附能预测准确性,其中极端随机森林方法表现出最优的预测性能,均方误差仅为0.075。该模型用于香兰素吸附金属离子的测试,验证了基于机器学习训练金属离子吸附能预测模型的可行性,但仍需进一步提高其泛化能力。本研究基于机器学习预测吸附能,简化预测过程、节省计算时间,可为吸附去除金属离子的理论和实验研究提供参考。

二氧化锰基纳米材料对重金属离子的去除及机理研究进展

重金属离子对人类健康和环境安全产生了严重威胁,因此重金属废水高效处理成为了环境领域最具挑战性的热点问题之一.二氧化锰(MnO2)是一种环境友好型金属氧化物,具有来源广泛、成本低廉、形貌多样、晶型丰富、结构稳定、粒径可控等优异的性质,在重金属离子的去除应用上展现出巨大的潜力.近年来,人们利用MnO2基纳米材料在重金属离子的有效治理方面开展了大量的研究.本文综述了MnO2基纳米材料在重金属离子环境修复方面取得的研究进展,包括MnO2的制备和改性方法,MnO2基纳米材料在水溶液重金属离子去除中的应用及吸附作用机制,并对研究方向进行了总结和展望,旨在为进一步设计合成对重金属离子的吸附去除具有实际应用价值的MnO2基纳米材料提供参考.

基于分子对接技术的萘酶促反应速率影响因素

本文引入16种取代基团对顺-萘二氢二醇分子进行修饰,并将顺-萘二氢二醇分子及其修饰后的衍生物与萘代谢关键酶顺-萘二氢二醇脱氢酶进行分子对接,以考察萘酶促反应速率的影响因素.分子对接表明,顺-萘二氢二醇分子基团的疏水性、电负性和体积是影响顺-萘二氢二醇和顺-萘二氢二醇脱氢酶之间亲和力的主要因素;此外,对接构象显示,顺-萘二氢二醇脱氢酶的氨基酸残基与顺-萘二氢二醇分子及其衍生物之间的疏水作用、氢键和空间位阻效应也是影响顺-萘二氢二醇和顺-萘二氢二醇脱氢酶之间亲和力的主要因素,上述因素均可影响萘降解关键步骤的酶促反应速率.

拉曼光谱在细颗粒物分析领域的应用

近年来,作为一项无损的指纹识别技术,拉曼光谱在细颗粒物分析领域表现出巨大的应用潜力.本文对拉曼光谱在细颗粒物定性分析、定量分析、图像化表征、混合态分析、源解析、pH分析和非均相反应七个方面的研究进展进行了综述.对于传统拉曼光谱存在信号强度不高的问题,通过表面增强拉曼散射(SERS)、尖端增强拉曼散射(TERS)和受激拉曼散射(SRS)技术得到了改进.最后对今后拉曼光谱在细颗粒物分析领域可能的研究方向进行了展望.