《Journal of Molecular Liquids》：Tailoring ZSM-5 zeolite surfaces for enhanced adsorption of organic pollutants: a molecular dynamics and MM-PBSA approach
编辑推荐：
•
使用氨基硅烷对ZSM-5沸石进行功能化处理可以显著提高其吸附能力，将污染物的迁移率降低多达77%，并增强表面的分子
- •
使用氨基硅烷对ZSM-5沸石进行功能化处理可以显著提高其吸附能力，将污染物的迁移率降低多达77%，并增强表面的分子相互作用。
- •
分子模拟表明，用氨基硅烷基团修饰ZSM-5可以加深吸附自由能势垒，增强范德华力、静电作用和氢键作用，从而实现更强力且更具选择性的污染物吸附。
- •
通过结合分子动力学（MD）、元动力学（metadynamics）和分子力学-泊松束模型（MM-PBSA）模拟，本研究揭示了功能化ZSM-5作为下一代废水处理技术具有高度前景的吸附剂背后的分子机制。
引言
水污染，尤其是有机污染物的污染，是一个严重的环境问题，对水生生态系统和人类健康有重大影响[1]、[2]、[3]。农药、芳香烃、增塑剂和工业化学品等污染物在环境中具有持久性，难以通过传统的废水处理方法去除[4]。传统的处理方法，包括离子交换树脂、膜过滤和化学沉淀，往往无法有效去除这些稳定且非极性的污染物[5]、[6]、[7]。这些方法的局限性在于运行成本高、选择性低以及会产生二次废物，因此需要开发更高效、经济且具有选择性的废水处理方法[7]、[8]。
近年来，纳米技术作为一种有前景的解决方案脱颖而出，能够克服传统方法的局限性。碳纳米管、石墨烯和金属有机框架（MOFs）等纳米材料因具有吸附和去除多种环境污染物的能力而受到广泛研究[9]、[10]。例如，Thakur等人的研究[11]展示了氧化石墨烯对有机污染物的高吸附能力，而Zhang等人[12]则探讨了使用MOFs去除药物污染物。这些纳米材料具有较大的表面积、可调的化学性质和功能化能力，可以实现特定污染物的靶向去除[13]、[14]、[15]、[16]。然而，尽管前景广阔，但在提高其效率和选择性方面仍存在挑战，特别是在处理复杂的污染物混合物时[17]、[18]。
沸石是一类多孔铝硅酸盐矿物，因其高表面积、离子交换特性和热稳定性而被长期用作有效的吸附剂[19]。在各种类型的沸石中，ZSM-5因其均匀的孔径而受到特别关注，这种孔径使其能够根据分子的大小和形状进行选择性吸附[20]、[21]。ZSM-5沸石已被应用于多种环境处理领域，包括从废水中去除挥发性有机化合物（VOCs）和芳香烃[22]、[23]、[24]、[25]。然而，尽管原始的ZSM-5是一种高效的吸附剂，但通过表面改性可以进一步增强其选择性和吸附能力[19]、[25]、[26]、[27]。
用氨基硅烷基团对沸石进行功能化处理在改善其吸附性能方面显示出显著效果[28]、[29]。氨基硅烷功能化的沸石增强了吸附剂表面与目标污染物之间的相互作用，尤其是通过静电作用和氢键[30]、[31]、[32]。这种改性被证明可以提高ZSM-5对特定有机污染物的吸附容量和选择性。例如，Otalvaro等人[33]报告指出，经过APTES功能化的MCM-41介孔二氧化硅在水溶液中对2,4-D和甲基橙等阴离子有机污染物的吸附能力优于未经改性的二氧化硅，其中质子化的胺基团发挥了重要作用，且这一过程受到pH值和离子强度的显著影响。
尽管关于功能化沸石的研究越来越多，但污染物与功能化表面之间相互作用的机制尚未完全了解。分子动力学（MD）模拟已成为在原子层面研究这些相互作用的宝贵工具，提供了关于污染物在吸附剂表面扩散、迁移率和结合能的见解。最近的研究利用MD模拟探讨了各种有机污染物在沸石表面的吸附情况，揭示了表面改性对吸附效率的影响[34]、[35]。然而，很少有研究系统地结合使用MD和元动力学模拟来研究污染物吸附的效果，特别是针对本研究中研究的污染物。
在本研究中，我们采用了分子动力学（MD）、元动力学模拟和分子力学-泊松束模型（MM-PBSA）计算来研究三种有机污染物——邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸（PHA）和苯乙胺（PEA）在原始ZSM-5沸石和氨基硅烷功能化ZSM-5沸石上的吸附行为。我们的目标是全面了解这些污染物的扩散、迁移率及其与吸附剂之间的相互作用强度。我们希望探讨表面改性如何影响吸附过程，并量化通过氨基硅烷功能化所实现的吸附容量和选择性的提升。通过平均平方位移（MSD）计算、径向分布函数（RDF）分析和能量分析，我们试图阐明控制污染物-吸附剂相互作用的分子层次机制。
通过利用先进的计算方法，本研究为高性能废水处理吸附剂的开发做出了贡献，提供了关于功能化在提高污染物去除效率方面作用的新见解。这项研究的发现将有助于设计能够高效去除水中有机污染物的定制吸附剂，从而提高环境修复过程的可持续性和有效性。
章节摘要
分子模型和初级结构
ZSM-5沸石的初级结构由五硅烷单元组成，每个单元由八个通过氧原子连接的五元环构成。这些五硅烷单元通过氧桥连接形成五硅烷链，进而形成起伏的片层结构。由此产生的三维框架形成了ZSM-5特有的微孔结构和形状选择性。
结果与讨论
沸石因其可调节的物理化学性质和结构多样性而被广泛认为是去除有机污染物的有效吸附剂。计算研究在理解其吸附机制和预测其性能方面发挥了关键作用。例如，Rossner等人[50]、[51]研究了21种新兴污染物与疏水性高硅沸石（如莫登石和Y型沸石）的相互作用。
结论
在本研究中，我们利用分子动力学（MD）模拟研究了有机污染物——邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸（PHA）和苯乙胺（PEA）在原始ZSM-5沸石和氨基硅烷功能化ZSM-5沸石上的吸附行为。我们的结果揭示了表面功能化在提高基于沸石的吸附剂吸附能力方面的作用。
作者贡献
Fatemeh Talaei：设计了计算方案，准备了模型系统，进行了所有计算，分析了数据，并撰写和编辑了原始稿件及修订后的稿件。
Farzaneh Farzad：负责监督、审阅和编辑原始稿件及修订后的稿件。
Amirhossein Khafy：负责审阅和编辑原始稿件及修订后的稿件。
CRediT作者贡献声明
Fatemeh Talaei： 初始稿件的撰写。 Farzaneh Farzad： 审阅与编辑，监督工作。 Amirhossein Khafy： 审阅与编辑。
代码可用性
本研究支持的代码可在合理请求下从相应的作者处获得。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
