【Materials Studio应用实例】新出现的水污染物:可持续未来的挑战和解决方案

引言：

淡水是我们这个星球上的基本资源之一，人类需要仔细管理和维护。获得健康、未受污染的水是一项基本人权。不幸的是，有许多水质问题，技术进步经常产生新的问题。

 

例如，蓬勃发展的制药业生产了越来越多的人类和兽医保健药物，这些药物最终流入淡水溪流。广谱抗生素、激素、非甾体抗炎药(NSAIDs)、β受体阻滞剂和血脂调节剂的浓度达到危险水平并持续增长。同样的问题也适用于个人护理产品:杀菌剂/消毒剂、驱蚊剂、肥皂、洗涤剂、香水和防晒霜。

 

这些污染物中的大多数不会立即对健康造成危害，但它们在人体内的积累可能会产生目前未知的长期后果。美国环境保护署(USEPA)和欧盟(EU)确定了废水中存在的各种化学物质，并将其列入优先污染物清单。名单上未来出现的污染物包括布洛芬或三氯生等无处不在的物质。

 

另一类新型污染物与电子产品和电动汽车日益增长的需求有关，因此锂离子电池的扩散。作为回收过程的一部分，大量的废阴极、阳极和电解质将变得可用;预计到2025年，废电池的总重量将达到100万吨左右。不幸的是，大多数回收工作的目的是提取和再利用有价值的金属(Co, Ni, Mn)。另一方面，磷酸锂铁(LFP)的阴极则不太受关注，它们大多通过垃圾填埋途径进入地下水。

 

这类污染物对水体的净化是一个复杂的过程，污水厂的各种技术对其他污染物的处理成功率也不同。寻找更好的吸附剂，最好是那些能够捕获和分解有害分子的吸附剂，正在进行中，这对材料科学来说是一个严重的社会挑战。对BIOVIA科学文章列表的检查表明，BIOVIA软件的许多用户正在积极地为开发用于水净化的新材料和技术做出贡献。以下是最近使用BIOVIA Materials Studio在分子水平上了解污染物和吸附剂之间相互作用的实验和理论结合(V+R)研究的一些例子。

 

成果：

来自柏林工业大学Universität、卢布林玛丽亚Curie-Skłodowska大学、日本东北大学和乌兹别克斯坦国立大学的科学家们进行了一项国际合作，提出了一种ZnS和SnO2颗粒的混合物作为光催化剂，用于吸附和降解许多有害的药物化合物。分子模拟光催化降解所需的材料工作室模块吸附定位器和Forcite。使用这些工具计算的吸附亲和度与实验观察到的光催化活性非常相关，因此该工作流程可用于筛选和优化新催化剂(Journal of Alloys andCompounds827(2020)154339,doi:10.1016/j.jjallcom.2020.154339)。

 

另一种去除药物污染物以及有机染料和酚类的技术是由来自东京、中国青岛和谢菲尔德的一个团队首创的。他们使用紧密结合的片状2D/2D BiOBr/MoS2异质结来光激活过氧单硫酸盐(PMS)，这是一种氧化和去除有机污染物的有效材料。Materials Studio包中的CASTEP求解器帮助解释了异质结的电子和催化性质。这项工作现在正在进入一个大规模的实际废水处理试点项目(Journal of Colloid and Interface Science 594 (2021)635-649;doi: 10.1016/j.jcis.2021.03.066)。

 

来自上海的一组研究人员，包括上海巨浪环保有限公司，研究了废弃LFP的再生潜力，以及它作为S(IV)活化催化剂的用途，以及由此产生的地下水有机污染物的净化。他们结合实验和理论研究表明，lfp如何产生自由基，使其成为一种有用的催化剂，并展示了优化其性能的策略。利用BIOVIA Materials Studio中的量子力学求解器CASTEP和DMol3来量化LFPs表面的吸附并解释催化反应机理(化学工程学报446(2022)137123,doi: 10.1016/j.cej.2022.137123)。

 

下一个项目的重点是一类危险的污染物——来自农业废物和采矿过程的砷和硒化合物。这些物质不加控制地排放到地下水中，不仅在世界上欠发达国家(孟加拉国、印度、巴基斯坦)，而且在美国和中国都造成了严重的健康问题。中国保定的环境科学家开发了一种新的制造工艺，用于稳定的Fe/Zr金属有机骨架(MOF)，用于水中砷的特殊净化。BIOVIA Materials Studio的量子力学求解器DMol3帮助量化了砷在这种新型MOF上的吸附。砷被吸附剂吸附和固定化，使用后释放率极低(环境科学学报128 (2023)213-223,doi: 10.1016/j.jes.2022.08.002)。

 

总结：

这些只是原子模拟补充实验来解释和优化水净化的各种材料和技术的一些例子。这个话题确实需要全世界采取紧急行动，所以至少一些建议的配方应该立即进入水处理实践。这些研究中有许多是由各自国家的环境机构赞助的，这给了我们很快看到改善的希望。

 

目标不仅是防止未来的污染，而且是大规模使用研究实验室的先进技术，将淡水储备清理到原始状态。分子建模和模拟是环境研究库中的重要工具，BIOVIA很自豪地看到我们的软件在这些研究中使用。

 

文章详情：https://blog.3ds.com/brands/biovia/emerging-water-pollutants-challenges-and-solutions-for-a-sustainable-future/

 

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