مطالعه محاسباتي نانوذرات مگنتيت اكسيد آهن به عنوان جاذب آلاينده هاي آنيوني

A computational study on iron oxide magnetite nanoparticles as adsorbents of anionic pollutants

كمبود و آلودگي آب دو مورد از مهم ترين نگراني هاي جوامع امروزي است. در حال حاضر به كمك فناوري‌هاي مدرن، آب نانوفيلتر شده در مقياس وسيع توليد مي‌شود. مطالعه حاضر به بررسي جذب آنيون بر روي نانوذرات اكسيد آهن و همچنين حذف آن ها از آب آشاميدني و پساب مي‌پردازد. سه نانوذره با اندازه هاي مختلف و ساختار آمورف(Fe6O8،Fe3O4و Fe9O12) آنيون ها NO3،SO₄-2 و ⁻Cl براي اين منظور مورد بررسي قرار گرفتند. خواص ساختار هندسي، پيوندي و الكتروني كمپلكس‌هاي آنيوننانوذره با استفاده از تابعيت همبستگي تبادلي Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP) در تركيب با مجموعه پايه هاي 6-31G و 6-311+G*/LANL2DZ مورد بررسي قرار گرفت. مدل پيوسته قطبش پذير رسانا مانند (CPCM) براي توضيح اثرات حلال آب استفاده شد. تجزيه و تحليل اتم در مولكول (AIM) براي بررسي كامل ماهيت برهمكنش هاي آنيون- نانوذرات استفاده شد. وجود برهمكنش هاي دهنده گيرنده بين آنيون ها و نانوذرات با تجزيه و تحليل AIM تأييد شد. علاوه بر اين، قدرت پيوندهاي دهنده -گيرنده و انرژي هاي برهمكنش آنيون- نانوذره كاملاً با هم مطابقت دارند. نتايج نشان مي دهد كه نانوذرات اكسيد آهن با اندازه كوچك جاذب آنيوني بهتري نسبت به ذرات بزرگ هستند و نانوذرات اكسيد آهن، آنيون SO42- را موثرتر جذب مي‌كنند. ما اميدواريم كه يافته‌هاي اين كار به ساخت و توسعه نانوفيلترها، دستگاه‌هاي تحليلي، داروها و ساير محصولات مشابه كمك كند و به آن‌ها اجازه مي‌دهد نانوجاذب‌هاي بسيار موثرFe3O4 را بر اساس ويژگي‌هاي ساختار الكتروني شان انتخاب كنند.

Water scarcity and pollution are two of the most important concerns affecting communities today. Thanks to modern technologies, nanofiltrated water may now be generated on a massive scale. The present study investigates anion adsorption on iron oxide nanoparticles as well as their removal from drinking water and effluents. Three sizes of amorphous Fe3O4 nanoparticles (Fe3O4, Fe6O8, and Fe9O12) and SO42-, NO3- and Cl- anions were examined for this purpose. The geometries, bonding, and electronic structure properties of anion/nanoparticle complexes were explored using the Becke-3-Lee–Yang–Parr (B3LYP) exchange-correlation functional in combination with the 6-31G and 6-311+G*/LANL2DZ basis sets. The conductor-like polarizable continuum model (CPCM) was used to account for water solvent effects. The atoms-in-molecules (AIM) analysis was employed to thoroughly investigate the nature of anions-nanoparticles interactions. The presence of donor-acceptor interactions between the anions and the nanoparticles was verified by the AIM analysis. Furthermore, the strength of donor-acceptor bonds and anion-nanoparticle interaction energies coincide quite well. The results showed that small-size iron oxide nanoparticles are better anion adsorbents than large ones, and iron oxide nanoparticles adsorb SO42- anion more efficiently. We hope that the findings of this work will aid in the manufacture and development of nanofilters, analytical devices, drugs, and other similar products by allowing them to choose highly effective Fe3O4 nanoadsorbents based on their electronic structure properties.