Ab initio studie mechanismu odbourávání trichlorethylenu pomocí modifikovaných nanočástic železa

Mgr. Miroslav KOLOS

Advanced ('rigorózní') thesis

Ab initio study on trichloroethylene elimination mechanism using modified iron nanoparticles

Abstract:

This thesis presents a comprehensive analysis of the adsorption and dechlorination dynamics of trichloroethylene (TCE) on various materials, focusing on iron sulfides, zero-valent iron (ZVI), and iron nitride (Fe$_x$N) nanoparticles. Initial segments delve into the adsorption dynamics of H$_2$O, H$_2$S, and TCE on iron sulfides and ZVI surfaces, offering valuable insights derived from advanced quantum mechanical methodologies. The research highlights the divergent adsorptive behaviors on different surfaces, underscoring the hydrophobic nature of mackinawite and the more hydrophilic characteristics of pyrite and ZVI. Minimal charge transfer was observed, even with high adsorption energies, confirming the dominance of dispersion forces in TCE adsorption. Molecular dynamics simulations underscored TCE's physisorptive and planar orientation on mackinawite surfaces. The enhanced stability and reactivity of ZVI particles towards TCE degradation post-sulfidation were also discussed. The latter part of the thesis transitions to TCE dechlorination on Fe$_x$N nanoparticles. The exploration, backed by Density Functional Theory (DFT) and the Nudged Elastic Band (NEB) method, sheds light on the low energy barriers associated with TCE dechlorination on Fe$_4$N surface, hinting at enhanced reactivity and potential for remediation applications. The detailed theoretical mechanism elucidated for TCE's interaction with Fe$_4$N surfaces is set to guide future experimental and theoretical research in the field. In conclusion, this thesis blends intricate theoretical investigations with practical implications, laying a robust foundation for future research and potential real-world applications in the arena of TCE adsorption and dechlorination, significantly contributing to the broader efforts aimed at combating groundwater contamination.

Abstract:

Tato rigorózní práce předkládá komplexní analýzu adsorpce a dechlorace trichlorethylenu (TCE) na různých materiálech, s hlavním zaměřením na sulfidy železa, nulvalentní železo (ZVI) a nanočástice nitridu železa (Fe$_x$N). V úvodních částech se práce věnuje dynamice adsorpce H$_2$O, H$_2$S a TCE na površích sulfidů železa a ZVI, přičemž nabízí cenné poznatky získané z pokročilých kvantově mechanických metod. Výzkum upozorňuje na rozdílné adsorpční chování na různých površích a zdůrazňuje hydrofobní charakter mackinawitu a více hydrofilní vlastnosti pyritu a ZVI. I při vysokých adsorpčních energiích byl pozorován minimální přenos náboje, což potvrzuje převahu disperzních sil v adsorpci TCE. Molekulární dynamika ukazuje fyzisorpci a rovinnou orientaci TCE na površích mackinawitu. Také byla diskutována zvýšená stabilita a reaktivita částic ZVI vůči rozkladu TCE po sulfidaci. V další části práce se pozornost přesouvá k dechloraci TCE na nanočásticích Fe$_x$N. Výzkum, podložený teorií funkční hustoty (DFT) a metodou Nudged Elastic Band (NEB), odhaluje nízké energetické bariéry spojené s dechlorací TCE na povrchu Fe$_4$N, což naznačuje zvýšenou reaktivitu a potenciál pro aplikace v oblasti remediací. Podrobný teoretický mechanismus vysvětluje interakci TCE s povrchy Fe$_4$N a má za cíl vést budoucí experimentální a teoretický výzkum v tomto oboru. Závěrem tato práce kombinuje podrobné teoretické analýzy s praktickými dopady, čímž klade pevný základ pro budoucí výzkum a možné reálné aplikace v oblasti adsorpce a dechlorace TCE, což významně přispívá k širším snahám boje proti znečištění podzemních vod.

Keywords

Trichlorethylen (TCE), Teorie funkcionálu hustoty (DFT), Nulmocné železo (ZVI), Metoda Nudged Elastic Band (NEB), Modifikované nanočástice železa, čištění životního prostředí, molekulární adsorpce, remediace odpadních vod

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 9. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. František Karlický, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Applied Physics / Fyzika nanostruktur