HEU沸石分子动力学模拟揭示磷酸盐分离新策略：为水体富营养化治理提供理论突破

本研究针对水体富营养化治理中磷酸盐去除难题，通过分子动力学模拟系统评估了NH4+、Mg2+、Ca2+等阳离子修饰的HEU型沸石对PO43-的吸附性能。发现钙修饰结构具有最高吸附容量（14个PO43-/晶胞）和位移速度，而NH4+修饰体系易形成鸟粪石晶体，为磷酸盐回收技术开发提供分子机制层面的理论支撑。

　　

水体富营养化已成为全球水环境治理的顽疾，其中磷元素的过量输入是诱发藻类爆发的关键因素。尽管化学除磷技术已广泛应用，但其高昂成本和大规模应用局限性促使科学家寻找更经济高效的解决方案。沸石因其独特的离子交换特性被视为潜力材料，但天然沸石对磷酸盐的选择性吸附能力不足，亟需通过阳离子修饰优化其性能。

针对这一科学难题，研究人员采用分子动力学模拟技术，系统研究了HEU拓扑结构沸石（斜发沸石）在NH⁴⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺等不同阳离子修饰下对水中PO₄^3-的分离机制。研究通过Materials Studio软件平台，运用恒定价力场（CVFF）进行模拟，构建了包含水分子、磷酸根离子和修饰阳离子的多组分体系，重点分析了浓度分布、均方位移（MSD）和径向分布函数（RDF）等关键参数。

浓度分布特征
模拟结果显示阳离子类型显著影响磷酸盐吸附性能。纯NH⁴⁺修饰体系表现最弱，仅吸附5.66个PO₄^3-/晶胞；而Ca²⁺修饰体系展现出卓越性能，吸附量达14个PO₄^3-/晶胞，表明二价阳离子通过更强静电作用提升吸附效率。

动力学行为解析
MSD分析揭示Ca²⁺修饰体系中PO₄^3-位移速度最快，印证其高效分离潜力；而NH⁴⁺和NH⁴⁺-Mg²⁺复合体系位移速度最低，可能与鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）晶体形成有关。

分子相互作用机制
RDF分析发现NH⁴⁺与PO₄^3-的最近邻概率高于其他阳离子，这种特异性结合为解释鸟粪石优先形成提供结构基础。特别值得注意的是，含NH⁴⁺-Mg²⁺-Na⁺-K⁺或NH⁴⁺-Mg²⁺-Na⁺-Ca²⁺的复合体系展现出明显的鸟粪石结晶倾向，这为磷酸盐回收技术开发指明新方向。

这项发表于《Microporous and Mesoporous Materials》的研究具有双重突破意义：一方面证实Ca²⁺修饰HEU沸石是高效的磷酸盐吸附材料，另一方面揭示NH⁴⁺-Mg²⁺复合体系可通过鸟粪石结晶实现磷资源回收。该工作不仅为富营养化治理提供新材料设计思路，更从分子尺度阐明了沸石修饰-吸附性能-结晶行为的构效关系，推动水处理技术从单纯污染物去除向资源回收的范式转变。研究采用的分子模拟方法学也为其他环境功能材料的理性设计提供可借鉴的技术路线。