Mercury exchange in zeolites Na-A and Na-Y studied by classical molecular dynamics simulations and ion exchange experiments
Creators
- 1. Cardiff University
- 2. Kwame Nkrumah University of Science and Technology
- 3. University of Bath
- 4. Science and Technology Facilities Council
- 5. Rutherford Appleton Laboratory
- 6. Research Complex at Harwell
- 7. University of Leeds
Description
Classical molecular dynamics simulations have been employed to study the exchange of Na+ for Hg2+ in zeolite Na-A, with a Si/Al ratio of 1, and zeolite Na-Y, with Si/Al ratios of 2 and 5, in dry and hydrated conditions within the temperature range 330 – 360 K, to understand factors underpinning the performance of zeolites for water decontamination. A classical forcefield based on DFT energies has been developed for the interaction between the Hg2+ ions and the zeolite O atoms. In terms of water diffusion, zeolite Na-A shows the lowest calculated diffusivity, followed by zeolite Na-Y (Si/Al=2) and Na-Y (Si/Al=5), as a consequence of differing pore dimensions and extra-framework ion loadings. In the absence of speciation anions, the Hg2+ ions are consistently adsorbed at the supercage windows in both the LTA and FAU framework types. The reduced pore size of zeolite A leads to an average hydration number per Hg2+ ion of ¡1.0, whilst the wider pore of zeolite Y exerts less steric hindrance, and thus the Hg2+ hydration number reaches values between 1.0 and 2.0 in zeolite Y. These observations might indicate that Hg2+ ions are more strongly immobilized in zeolite A than in zeolite Y. Preliminary measurements of mercury removal using these zeolites, as synthesized from bauxite and kaolin, seem to support these findings.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تم استخدام محاكاة الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية لدراسة تبادل Na+ لـ Hg2 + في الزيوليت Na - A، بنسبة Si/Al 1، والزيوليت Na - Y، بنسب Si/Al 2 و 5، في الظروف الجافة والرطبة ضمن نطاق درجة الحرارة 330 – 360 كلفن، لفهم العوامل التي تدعم أداء الزيوليت لتطهير المياه. تم تطوير حقل قوة كلاسيكي يعتمد على طاقات DFT للتفاعل بين أيوناتHg2 + وذرات O الزيوليت. من حيث انتشار الماء، يُظهر الزيوليت Na - A أدنى انتشار محسوب، يليه الزيوليت Na - Y (Si/Al=2) و Na - Y (Si/Al=5)، نتيجة لاختلاف أبعاد المسام والأحمال الأيونية خارج الإطار. في حالة عدم وجود أيونات انتواع، يتم امتصاص أيونات Hg2 + باستمرار في نوافذ القفص الفائق في كل من أنواع إطار LTA و FAU. يؤدي انخفاض حجم المسام للزيوليت A إلى متوسط عدد ترطيب لكل أيون Hg2 + 1.0، في حين أن المسام الأوسع للزيوليت Y تمارس عائقًا أقل تعقيمًا، وبالتالي يصل عدد ترطيب Hg2 + إلى قيم تتراوح بين 1.0 و 2.0 في الزيوليت Y. قد تشير هذه الملاحظات إلى أن أيونات Hg2 + يتم تثبيتها بقوة أكبر في الزيوليت A مقارنة بالزيوليت Y. يبدو أن القياسات الأولية لإزالة الزئبق باستخدام هذه الزيوليتات، كما تم تصنيعها من البوكسيت والكاولين، تدعم هذه النتائج.Translated Description (French)
Des simulations classiques de dynamique moléculaire ont été utilisées pour étudier l'échange de Na+ pour Hg2+ dans la zéolite Na-A, avec un rapport Si/Al de 1, et la zéolite Na-Y, avec des rapports Si/Al de 2 et 5, dans des conditions sèches et hydratées dans la plage de température 330 – 360 K, pour comprendre les facteurs qui sous-tendent la performance des zéolithes pour la décontamination de l'eau. Un champ de force classique basé sur les énergies DFT a été développé pour l'interaction entre les ions Hg2+ et les atomes de zéolite O. En termes de diffusion de l'eau, la zéolite Na-A montre la diffusivité calculée la plus faible, suivie de la zéolite Na-Y (Si/Al=2) et Na-Y (Si/Al=5), en raison des différentes dimensions des pores et des charges ioniques supplémentaires. En l'absence d'anions de spéciation, les ions Hg2+ sont constamment adsorbés aux fenêtres de la supercage dans les types de cadre LTA et FAU. La taille réduite des pores de la zéolite A conduit à un nombre moyen d'hydratation par ion Hg2+ de ¡1,0, tandis que le pore plus large de la zéolite Y exerce moins d'encombrement stérique, et donc le nombre d'hydratation de Hg2+ atteint des valeurs comprises entre 1,0 et 2,0 dans la zéolite Y. Ces observations pourraient indiquer que les ions Hg2+ sont plus fortement immobilisés dans la zéolite A que dans la zéolite Y. Les mesures préliminaires de l'élimination du mercure à l'aide de ces zéolithes, telles que synthétisées à partir de bauxite et de kaolin, semblent corroborer ces résultats.Translated Description (Spanish)
Se han empleado simulaciones clásicas de dinámica molecular para estudiar el intercambio de Na+ por Hg2+ en zeolita Na-A, con una relación Si/Al de 1, y zeolita Na-Y, con relaciones Si/Al de 2 y 5, en condiciones secas e hidratadas dentro del rango de temperatura 330 – 360 K, para comprender los factores que sustentan el rendimiento de las zeolitas para la descontaminación del agua. Se ha desarrollado un campo de fuerza clásico basado en energías DFT para la interacción entre los iones Hg2+ y los átomos de zeolita O. En términos de difusión de agua, la zeolita Na-A muestra la difusividad calculada más baja, seguida de la zeolita Na-Y (Si/Al=2) y Na-Y (Si/Al=5), como consecuencia de las diferentes dimensiones de los poros y las cargas iónicas extraestructurales. En ausencia de aniones de especiación, los iones Hg2+ se adsorben constantemente en las ventanas de la superjaula en los tipos de marco LTA y FAU. El tamaño de poro reducido de la zeolita A conduce a un número de hidratación promedio por ion Hg2+ de ¡1,0, mientras que el poro más ancho de la zeolita Y ejerce menos impedimento estérico y, por lo tanto, el número de hidratación Hg2+ alcanza valores entre 1,0 y 2,0 en la zeolita Y. Estas observaciones podrían indicar que los iones Hg2+ están más fuertemente inmovilizados en la zeolita A que en la zeolita Y. Las mediciones preliminares de la eliminación de mercurio utilizando estas zeolitas, sintetizadas a partir de bauxita y caolín, parecen respaldar estos hallazgos.Files
1-s2.0-S1387181121000287-main%20%281%29.pdf.pdf
Files
(1.5 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:7c09c2ee06e81aacb95afa914e06a05b
|
1.5 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تمت دراسة تبادل الزئبق في الزيوليت Na - A و Na - Y من خلال محاكاة الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية وتجارب التبادل الأيوني
- Translated title (French)
- Échange de mercure dans les zéolithes Na-A et Na-Y étudiées par des simulations classiques de dynamique moléculaire et des expériences d'échange d'ions
- Translated title (Spanish)
- Intercambio de mercurio en zeolitas Na-A y Na-Y estudiado mediante simulaciones de dinámica molecular clásica y experimentos de intercambio iónico
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3122955493
- DOI
- 10.1016/j.micromeso.2021.110903
References
- https://openalex.org/W1490163677
- https://openalex.org/W1970127494
- https://openalex.org/W1972909908
- https://openalex.org/W1975769356
- https://openalex.org/W1978674591
- https://openalex.org/W1979544533
- https://openalex.org/W1980867199
- https://openalex.org/W1981368803
- https://openalex.org/W1986801664
- https://openalex.org/W1986977990
- https://openalex.org/W1989802898
- https://openalex.org/W1990208157
- https://openalex.org/W2001676859
- https://openalex.org/W2001847706
- https://openalex.org/W2001930367
- https://openalex.org/W2006454875
- https://openalex.org/W2007395042
- https://openalex.org/W2013193501
- https://openalex.org/W2021154570
- https://openalex.org/W2028056984
- https://openalex.org/W2030999129
- https://openalex.org/W2035266068
- https://openalex.org/W2035687084
- https://openalex.org/W2036113194
- https://openalex.org/W2037295363
- https://openalex.org/W2039090443
- https://openalex.org/W2044591029
- https://openalex.org/W2048675518
- https://openalex.org/W2049690839
- https://openalex.org/W2052625548
- https://openalex.org/W2052914013
- https://openalex.org/W2057502998
- https://openalex.org/W2057562773
- https://openalex.org/W2078716941
- https://openalex.org/W2079105963
- https://openalex.org/W2083222334
- https://openalex.org/W2086051775
- https://openalex.org/W2087698390
- https://openalex.org/W2092157292
- https://openalex.org/W2096747776
- https://openalex.org/W2139531945
- https://openalex.org/W2163594798
- https://openalex.org/W2166627537
- https://openalex.org/W2172940831
- https://openalex.org/W2312711864
- https://openalex.org/W2325497121
- https://openalex.org/W2327863617
- https://openalex.org/W2467827582
- https://openalex.org/W2572963872
- https://openalex.org/W2912604581
- https://openalex.org/W2950534785
- https://openalex.org/W2969859876
- https://openalex.org/W2972366074
- https://openalex.org/W3004517439
- https://openalex.org/W3008786268