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Theoretical study on the mechanism of super-stable mineralization of LDHs in soil remediation

空位缺陷 矿化(土壤科学) 层状双氢氧化物 密度泛函理论 金属 结合能 化学 无机化学 计算化学 结晶学 有机化学 氢氧化物 物理 核物理学 氮气
作者
Xiaojie Zhao,Simin Xu,Pan Yin,Jingyi Guo,Wei Zhang,Jie Yao,Hong Yan
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:451: 138500-138500 被引量:46
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.138500
摘要

The problem of soil/water pollution by toxic heavy metals has become increasingly prominent, which pose a serious threat to human production and life. Layered double hydroxides (LDHs) have been used as an excellent mineralizer for the heavy metal cations to form a super-stable mineralization structure. In this work, the models of MII2Al-CO3-LDHs (M = Mg, Cu, Cd, Ca, Fe, Ni, Zn, Co) are built to investigate the driving force of LDHs super-stable mineralization and the mechanism of mineralization of heavy metal cations by Ca2Al-LDH using density functional theory (DFT) and molecular dynamics (MD) simulation methods. The calculation results exhibit that the reasons for the super-stable mineralization of LDHs are that they have the super-smaller solubility products than those of the corresponding hydroxides and carbonates. The chemical binding, electrostatic binding and isomorphic substitution mechanisms of CaAl-LDH for five common heavy metal cations (Cu2+, Ni2+, Zn2+, Co2+, Cd2+) are calculated, as well as the effects of the introduction of H vacancy, OH vacancy and Ca vacancy into (0 0 3) surface on the mechanism is further explored. The results show that the mechanism of LDHs removing heavy metal cations favor the electrostatic binding mechanism regardless of the introduction of vacancy. Compared with the chemical binding mechanism and electrostatic binding mechanism, the energy barrier of isomorphic substitution of heavy metal cations with Ca vacancy is reduced the most, indicating that the presence of Ca vacancy is conducive to the occurrence of isomorphic substitution reaction. This work provides useful theoretical understanding for the construction of LDHs mineralizer and understanding the mechanism for the removal of heavy metals.
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