季铵基阴离子交换树脂去除水中苯酚和苯硫酚的实验与DFT计算研究

为解决工业废水中苯酚(phenol)和苯硫酚(thiophenol)污染问题，研究人员通过实验与密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了IRA402、IRA900和PWA5三种季铵基阴离子交换树脂在pH 11条件下的去除效能。结果表明，含三甲基铵基的树脂对两种污染物的吸附能力显著优于三乙基铵基树脂，且苯酚去除效率更高，同时4% HCl可实现高效解吸。该研究首次通过DFT模拟揭示了树脂功能基团与污染物的相互作用机制，为绿色水处理技术开发提供了理论依据。

　　

工业废水中的苯酚(phenol)和苯硫酚(thiophenol)是公认的高毒性污染物，它们来自造纸、农药、制药等行业，不仅危害水生生态系统，还被欧盟和美国环保署列为优先控制污染物。尽管离子交换树脂已广泛应用于水处理领域，但针对不同功能基团树脂去除这两种污染物的系统研究仍存在空白，特别是缺乏理论计算对实验结果的验证。更棘手的是，现有技术对含硫芳香化合物的去除效率普遍较低，且树脂再生成本高昂。

波兰AGH科技大学Katarzyna Chruszcz-Lipska团队在《Desalination and Water Treatment》发表的研究，首次将实验与量子化学计算相结合，揭示了季铵基阴离子交换树脂去除苯酚和苯硫酚的分子机制。研究选取商用树脂IRA402(三甲基铵基凝胶型)、IRA900(三甲基铵基大孔型)和PWA5(三乙基铵基大孔型)，通过紫外光谱(UV)定量分析吸附过程，红外光谱(ATR-FTIR)表征吸附产物，并结合DFT/B3LYP/PCM/6-31g**水平计算模拟离子交换过程。

3.1 动力学实验

在pH 11条件下，所有树脂对苯酚的吸附容量均高于苯硫酚，其中IRA402表现最佳(62.79 mg/g vs 17.81 mg/g)。伪二级动力学模型更符合苯酚吸附过程，表明化学吸附占主导。值得注意的是，尽管IRA900具有大孔结构，但凝胶型IRA402展现出相当的甚至更优的性能，颠覆了传统认知。

3.2 红外光谱

ATR-FTIR谱图中1586 cm^-1处苯酚阴离子的C=C特征峰和1575 cm^-1处苯硫酚阴离子峰的出现，证实了离子交换机制。特别在1477 cm^-1附近季铵基团的振动峰位移，直接反映了功能基团与污染物的相互作用。

3.3 理论计算

DFT模拟显示，三甲基铵基树脂与苯酚氧原子的距离(3.288 ?)显著小于三乙基铵基树脂(3.320-4.462 ?)。APT电荷分析进一步揭示，-N⁺(CH₃)₃基团与苯酚的静电势差(1.826)大于-N⁺(C₂H₅)₃基团(1.767)，这与实验观测的吸附效率排序完全一致。

这项研究的突破性在于首次通过量子化学计算预测了树脂功能基团结构与污染物去除效率的构效关系。发现三甲基铵基由于空间位阻更小、静电作用更强，其性能优于体积更大的三乙基铵基树脂。该成果不仅为工业水处理树脂的精准选型提供了科学依据，更开创了用计算化学减少危险化学品实验的新范式。特别是对苯硫酚这类难处理污染物的研究，填补了现有技术的空白。研究团队建立的DFT模拟方法，可推广应用于其他污染物-树脂体系的预测，大幅降低水处理技术的研发成本与时间，对推动绿色化学发展具有深远意义。