Анна Николаевна Цыгута, старший преподаватель кафедры «Математические и естественнонаучные дисциплины»
414000, г. Астрахань, ул. Никольская, 6
Anna N. Tsyguta, Senior Lecturer of the Department of Mathematical and Natural Sciences
6, Nikolskaya St., Astrakhan, 414000
Введение. Загрязнение водных экосистем нефтепродуктами, в том числе трансграничный перенос таких загрязнителей с балластными водами судов, требует доработки имеющихся методов очистки. Существующие судовые системы управления балластными водами недостаточно эффективны для удаления растворенных и эмульгированных углеводородов. Перспективным решением может быть использование сорбционных материалов, однако весьма сложно научно обосновать выбор оптимального сорбента для конкретных типов загрязнителей. В связи с этим целью данной работы является представление методики квантово-химического моделирования для прогнозирования эффективности взаимодействия компонентов в системе «сорбент — загрязнитель» на примере целлюлозы и типичных компонентов нефти.
Материалы и методы. В качестве модельной системы использован фрагмент целлюлозы (целлобиоза) и молекулы-загрязнители (бензол, фенол и нафталин). Эти вещества были выбраны из-за своей химической структуры и способности имитировать реальные загрязнения окружающей среды. Предварительная оптимизация геометрии и расчет энергетических параметров проводились полуэмпирическим методом PM3 в программе GAMESS. Для верификации результатов использовалась теория функционала плотности с функционалом B3LYP и базисом 6-31G(d). Энергия адсорбции рассчитывалась как разность полных энергий комплекса и изолированных компонентов. Активные центры взаимодействия идентифицировались на основе анализа геометрических параметров, граничных молекулярных орбиталей (HOMO/LUMO) и переноса заряда.
Результаты исследования. Рассчитаны ключевые электронные характеристики загрязнителей, показывающие, что нафталин обладает наибольшей поляризуемостью (зазор HOMO-LUMO 8,43 эВ), а фенол — значительным дипольным моментом (1,14 D). Для комплекса «целлобиоза — бензол» определены геометрически и энергетически оптимальные конфигурации. Установлено, что сорбция обеспечивается образованием слабых водородных связей (О…Н-С) с расстояниями 1,85–1,91 Å. Энергия адсорбции для наиболее стабильной конфигурации составила 21,27 кДж/моль, что соответствует устойчивому нековалентному взаимодействию. Сформулированы критерии стабильности адсорбционных комплексов (энергетический, структурный, электронный) для разработки предварительных эвристических правил в системе поддержки принятия решений при выборе сорбентов.
Обсуждение. Разработанная методика квантово-химического моделирования позволяет количественно оценивать энергию и механизмы межмолекулярного взаимодействия в системе «сорбент — загрязнитель». Показано, что нативная целлюлоза способна эффективно удерживать неполярные ароматические углеводороды за счет дисперсионных сил и слабых водородных связей. Полученные расчетные параметры могут служить основой для научно обоснованного подбора компонентов фильтров балластных вод и других систем очистки с учетом типа загрязнителя, а также для интеграции в информационно-аналитические системы поддержки принятия решений.
Заключение. Результаты работы могут быть интегрированы в информационно-аналитические системы поддержки принятия решений при выборе сорбентов для очистки балластных вод, а также служить основой для дальнейших исследований модифицированных форм целлюлозы.
Introduction. Pollution of aquatic ecosystems by petroleum products, including the transboundary transport of pollutants from ships' ballast water, requires improvement of cleaning methods. Existing shipboard ballast water management systems are not sufficiently effective in removing dissolved and emulsified hydrocarbons. A promising solution is the use of sorption materials. However, choosing the optimal sorbent for specific pollutants is a challenging task that requires scientific research. In this study, we aimed to demonstrate a quantum chemical modeling technique to predict the effectiveness of the “sorbent — pollutant” interaction using cellulose and typical oil components as examples.
Materials and Methods. A fragment of cellulose (cellobiose) and contaminant molecules: benzene, phenol, and naphthalene were used as a model system. These substances were chosen due to their chemical structure and ability to simulate real environmental pollution. Preliminary optimization of the geometry and calculation of energy parameters were performed using the semi-empirical PM3 method in the GAMESS program. To verify the results, the density functional theory with the B3LYP functional and the 6-31G(d) basis was used. The adsorption energy was calculated as the difference between the total energies of the complex and the isolated components. The active interaction centers were identified based on the analysis of geometric parameters, boundary molecular orbitals (HOMO/LUMO), and charge transfer.
Results. The key electronic characteristics of pollutants were calculated, showing that naphthalene had the highest polarizability (HOMO-LUMO gap 8.43 eV), and phenol had a significant dipole moment (1.14 D). Geometrically and energetically optimal configurations were determined for the cellobiose-benzene complex. It was established that sorption was provided by the formation of weak hydrogen bonds (O...H-C) with distances of 1.85-1.91 Å. The adsorption energy for the most stable configuration was 21.27 kJ/mol, which corresponded to a stable non-covalent interaction. Criteria for the stability of adsorption complexes (energy, structural, electronic) were formulated for the development of preliminary heuristic rules in the decision support system for the selection of sorbents.
Discussion. The developed quantum chemical modeling technique made it possible to quantify the energy and mechanisms of intermolecular interaction in the "sorbent — pollutant" system. It was shown that native cellulose was able to effectively retain nonpolar aromatic hydrocarbons due to dispersion forces and weak hydrogen bonds. The calculated parameters can serve as the basis for a scientifically sound selection of components for ballast water filters and other purification systems, taking into account the type of pollutant, as well as for integration into information and analytical decision support systems.
Conclusion. The results of the work can be integrated into information and analytical decision support systems for the selection of sorbents for ballast water treatment, as well as serve as a basis for further research of modified forms of cellulose.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.