基于Gaussian的化工废水处理吸附剂分子设计与性能优化研数智化实验设计yyy

基于Gaussian的化工废水处理吸附剂分子设计与性能优化研究参赛选手：龙萍芝，蒙云馨，潘白曰指导教师：张建辉，冷艳丽贵州民族大学，贵阳550025摘要：本实验针对化工含酚废水毒性高、难降解的特性，以及传统处理技术效率低、能耗高的问题，提出了一种基于多孔有机聚合物的吸附剂优化策略。设计以苯酚为目标污染物，吸附剂引入羟基、氨和磺酸基等活性基团调节分子结构，采用Gaussian量子化学计算软件对分子开展性能研究。首先，对吸附剂分子结构进行几何优化和频率分析以验证其稳定性；进而，通过静电势分析、结合能计算和电荷转移等研究，阐明吸附剂与苯酚分子的相互作用机制，建立明确的构效关系。本研究基于量子化学计算的设计分子结构，为新型污染物吸附材料的定向合成提供理论模型，满足基础研究与课堂教学融合，可作为本科生日常教学实验开展。关键词：苯酚,污水处理，吸附剂设计,理论研究ResearchontheMolecularDesignandPerformanceOptimizationofAdsorbentsforChemicalWastewaterTreatmentBasedonGaussianLongPingzhi,MengYunxin,PanBaiyueAcademicAdvisor:ZhangJianhui,LengYanliGuizhouMinzuUniversity,Guiyang550025Abstract:Thisexperimentaddressesthechallengesofthehightoxicityandcomplexdegradationprocessesassociatedwithphenolicwastewaterinthechemicalindustry.Italsoconfrontstheissuesoflowefficiencyandhighenergyconsumptionpervasiveinconventionaltreatmentmethodologies.Thestudyproposesanoptimizedadsorptionagentstrategy,centeredonporousorganicpolymers.Takingphenolasthetargetpollutant,theadsorbentisdesignedtointroduceactivegroupssuchashydroxyl,aminoandsulfonicacidgroupstoregulatethemolecularstructure,andGaussianquantumchemicalcalculationsoftwareisusedtocarryoutperformanceresearchonthemolecules.First,themolecularstructureoftheadsorbentisgeometricallyoptimizedandfrequencyanalyzedtoverifyitsstability;furthermore,throughthestudiesofelectrostaticpotentialanalysis,bindingenergycalculationandchargetransfer,theinteractionmechanismbetweentheadsorbentandphenolmoleculesisclarified,andaclearstructure-activityrelationshipisestablished.Basedonthedesignofmolecularstructurethroughquantumchemicalcalculation,thisstudyprovidesatheoreticalmodelforthedirectionalsynthesisofnewpollutantadsorptionmaterials,meetstheintegrationofbasicresearchandclassroomteaching,andcanbecarriedoutasadailyteachingexperimentforundergraduates.KeyWords:

Phenol;WastewaterTreatment;Adsorbentdesign;theoreticalresearch1引言化工行业每年产生约1.2×1010吨废水，其中酚类化合物（如苯酚）因其毒性强、难降解特性，被列为优先控制污染物。传统处理方法中，活性炭吸附存在吸附容量低（约50-100mg/g）、再生成本高（约0.8-1.2元/吨废水）等问题；而膜分离技术易受污染物浓度影响，导致通量衰减明显。开发高选择性、可调控的新型吸附材料成为突破技术瓶颈的关键。量子化学计算方法通过精确模拟分子间相互作用，可在原子/电子尺度揭示吸附作用机制，从而指导吸附剂的功能基团定向修饰与理性设计，相较于传统试错法,可实现研发效率的数量级提升。本实验从理论上实现了从分子设计到性能优化的完整研究路径，可作为开发高效工业废水处理材料提供了理论指导和设计依据。同时，可丰富吸附剂构效关系数据，有助形成工业废水处理材料的设计依据，兼具一定的科学意义和工程应用价值。在废水杂质吸附处理领域，国内外研究各有侧重且相互补充。国内研究紧扣本土工业需求，聚焦行业特定场景，如黄鹏贵等（2021）用电导率控制吸附法处理卤水提锂体系钙镁杂质，覆盖多元场景[1]；李汉艳（2023）针对工业乙醇溶剂杂质开展研究，工艺适配优化成果显著，但对吸附剂分子设计、作用机制解析深度不足[2]。国外研究侧重前沿技术融合与基础机制突破，；Xiao

Liu等（2024）系统梳理含碳吸附剂作用机制[3]；D.Bosch等（2025）利用木质残余物制备吸附剂践行资源循环[4]，借高分辨电镜深入探究作用规律，在生物质/新型材料应用等方面优势显著，然对国内特定场景针对性弱。设想融合现有实验研究成果，结合量子化学计算（如Gaussian模拟）深化吸附剂分子设计，以期在废水吸附处理向高效、绿色方向有所进展，助力水污染控制与绿色资源循环目标。2数字化设计方案 随着计算机软件的发展,一些功能强大的化学软件,如Gaussian和GaussView等已经可以在原子和分子的水平上获取分子的几何结构图形及相关的电子结构信息,并以三维图像的方式表现[5]｡特别重要是，该软件组合能进一步获得分子体系的电荷分布和静电势分布，是吸附分子相互作用的重要可视化元素，是吸附分子之间相互作用位置判定的重要依据。实验以二聚1,3,5-均三嗪环为POPs骨架基础，设计三类功能化吸附剂[6]：POPs-OH、POPs-NH₂、POPs-SO3H，借助Gaussian09软件开展量子化学计算，对不同修饰结构吸附剂进行筛选：首先优化苯酚、各设计吸附剂的几何结构；其次通过静电势和电荷分布预测各吸附复合物的几何结构，验证稳定性；最后通过计算结合能和电荷转移等，明确结构性能关系，推选出对苯酚吸附性能最优的吸附剂分子结构。基于以上原理本实验将采用以下设计方案：3实验部分3.1实验方法以二聚1,3,5-均三嗪环为POPs骨架单元，在GaussView中构建基础结构，分别引入-OH、-NH2、-SO3H取代基团，通过改变取代位置（邻位、对位）得出最优位置分子模型（记为POPs-OH、POPs-NH2、POPs-SO3H等）。所有计算均采用PBE0泛函，并结合D3BJ色散校正，使用6-311+G(d,p)基组进行几何优化和频率计算，结合实际处理水溶液体系，选用IEFPCM数学模型精确处理污水体系中分子间相互作用[7],分子静电势是描述分子周围空间电荷分布关键物理量，静电势为正值，表明该区域对正电荷具有排斥性[8]；由此可以判定吸附分子之间的相互作用位置。此外，它还能将量子力学抽象概念具体化，从而有助于更好地设计高效的吸附剂分子。计算采用Gaussian09软件完成，结构由GaussView生成。结合能计算公式为：Ebind=Ecomplex-Eadsorbent-Ephenol，其中Ecomplex为吸附复合物能量，Eadsorbent和Ephenol分别为吸附剂与苯酚分子能量，计算结果越负说明结合能越大。3.2反应物结构苯酚和各吸附剂（POPs、POPs-NH2、POPs-OH、POPs-SO₃H

等）优化结构和静电势分布如图1所示，根据优化结构，POPs二聚体分子呈现平面共轭结构，N原子静电势为负值，H原子位置为正值，与之对比，POPs-OH,POPs-NH2和POPs-SO3H存在N、O原子静电势为负值，H原子位置为正值，静电势提供了吸附剂与苯酚作用的基础信息。POPs结构POPs-OH结构POPs-NH2结构POPs-SO3H结构苯酚结构图1各反应物分子结构和静电势

3.2吸附复合物结构苯酚和各吸附剂（POPs、POPs-NH2、POPs-OH、POPs-SO₃H

等）作用的优化结构如图2-5所示，图2POPs-苯酚复合物图3POPs-OH-苯酚复合物图4POPs-NH2-苯酚复合物 图5POPs-SO3H-苯酚复合物表1不同吸附剂与苯酚作用的结合能及电荷转移数据吸附剂类型结合能（kJ/mol）电荷转移（e）偶极矩（Debye）二聚三嗪环-33.090.0420POPs-OH-31.40-0.0421.96POPs-NH2-501.140.0283.59POPs-SO3H-713.800.2067.15探究吸附剂对苯酚的作用机制，可通过不同吸附剂与苯酚作用的结合能、Mulliken电荷分布及偶极矩数据展开系统分析（表1），其中，苯酚的偶极矩为1.83Debye。研究发现POPs-SO₃H展现出最强结合能（-713.80

kJ/mol），结合不同吸附剂表面极性基团种类的吸附结果，可验证其对苯酚存在氢键作用（O…H-O键长0.271

nm）与π-π堆积效应（苯环间距0.345nm）[9]。POPs-NH2与苯酚吸附时，氨基N原子向苯酚的羟基O原子转移0.028e，静电式重叠区域主要分布在氨基氢与酚羟基氧之间，证实氢键为主要驱动力。同时，吸附剂HOMO能级（-9.485eV）与苯酚LUMO能级（-0.403eV）的ΔE为9.082eV，电子易从吸附剂向苯酚转移，促进π-π共轭作用的形成[10]。POPs和POPs-OH在水溶液中与苯酚的结合能-33.09和-31.40kJ/mol，主要是因为氢键的作用。4结语本实验通过Gaussian计算实现了吸附剂分子的定向设计，证实取代基修饰的POPs对苯酚具有强结合能与电荷转移效率。基于不同吸附剂与苯酚的结合能、电荷转移及微观结构数据，构建表面极性基团主导的构效关系模型：吸附剂表面极性基团通过“极性强化-电荷转移促进结合能调控”路径影响吸附性能。具体而言，强极性基团显著的静电作用使结合能更大，弱极性羟基（-OH）与非极性三嗪环结合能接近。该模型阐明“表面基团种类→电子作用模式→吸附性能”的构效关系，为设计高效苯酚吸附剂提供基团修饰与作用机制的理论依据。为化工废水处理提供了新型材料设计思路。未来可结合分子动力学模拟拓展吸附过程的动态分析，并开展实验验证以推动工程化应用。5特色声明：1.

揭示了吸附剂与苯酚间的多重作用机制；2.

建立了功能基团结构-结合能关系模型；3.

依托量子化学计算，实现科研方法向教学过程转化。参考文献[1]黄鹏贵,李文珍,王守恒.盐科学与化工,2021,50(10),25–27.[2]李汶艳.吸附法去除工业乙醇溶剂中微量杂质的工艺及吸附剂改性研究[D].天津:河北工业大学,2023.[3]Liu,X.;Hao,Q.L.;Fan,M.H.;Teng,B.T.Sci.TotalEnviron.2024,955,177106.[4]Bosch,D.;Back,J.O.;Spruck,M.;Nohel,L.;Gurtner,D.;Margreiter,C.;Bockreis,A.Chem.Eng.Res.Des.2025,217,108–120.[5]景瑛琦,孙墨珑.Gaussian03/GaussView在《结构化学》课程教学中的应用.见:中国化学会第七届全