Adsorption Mechanism of Perfluorooctanoate on Cyclodextrin-Based Polymers: Probing the Synergy of Electrostatic and Hydrophobic Interactions with Molecular Dynamics Simulations

分子动力学 吸附 疏水效应 聚合物 化学 静电相互作用 肺表面活性物质 化学物理 化学工程 计算化学 有机化学 生物化学 工程类
作者
Aditya Choudhary,Dengpan Dong,Marina Tsianou,Paschalis Alexandridis,Dmitry Bedrov
出处
期刊:ACS materials letters [American Chemical Society]
卷期号:4 (5): 853-859 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acsmaterialslett.2c00168
摘要

Contamination of natural water resources by per- and polyfluorinated alkyl substances (PFAS) has affected millions of people around the world and emphasized the need for development of novel and effective adsorbent materials. We demonstrate how atomistic molecular dynamics (MD) simulations can be used to provide molecular scale insight into the role of electrostatic and hydrophobic interactions on the adsorption of the perfluorooctanoate (PFOA) surfactant, a prominent longer-chain PFAS, on a polymer-based network in water. Specifically, the adsorption of ammonium perfluorooctanoate salt has been investigated on the β-cyclodextrin (CD) network cross-linked with decafluorobiphenyl linkers as an example of an absorbent material that has already demonstrated efficient PFAS adsorption. Examination of pairwise interactions reveals the importance of the dual pronged adsorption mechanism involving both electrostatic and hydrophobic interactions. The adsorption of ammonium counterions on the CD segments facilitates attraction of the anionic headgroup of the PFOA surfactant, while fluorinated linkers provide an additional hydrophobic attraction for the PFOA tail as well as higher affinity of the network toward PFOA in comparison with hydrocarbons. These competing interactions result in PFOA adsorption primarily outside of the CD cavity with the PFOA tail mostly interacting with fluorinated linkers. We demonstrate that simulations using “what if” scenarios are a powerful approach to infer the role of different interactions in the adsorption of PFAS.
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