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水中重金属离子污染已成为当今严重威胁人类可持续发展的环境问题，在众多的废水处理方法中，吸附法以其高效节能和操作简便的突出优点而引起了人们的广泛关注与研究。氢氧化镁纳米颗粒作为一种环境友好的水处理剂，由于其廉价、高效、可循环利用而广泛应用于水中重金属离子脱除。课题组研究发现纳米氢氧化镁对重金属离子如铬酸根、砷酸根、铀酰离子有强的吸附作用，其吸附力即langmiur常数比很多其他材料都要大。目前对氢氧化镁吸附机制的研究仍是以宏观的实验数据为主，而对吸附的微观界面并无直接的测量手段。这不仅严重制约了人们对于氢氧化镁吸附重金属离子分子机制的理解，也不利于对其表界面调控以进一步提高吸附性能。近年来分子模拟作为一种新兴的研究手段，很好地弥补了实验研究的限制条件，成为探索微观世界的一种重要辅助手段。分子模拟研究可以帮助我们在分子原子甚至电子层次对各种实验现象深入理解，因此被广泛应用于污染物界面行为的研究之中。本文以分子动力学模拟、第一性原理计算为手段，围绕氢氧化镁与重金属离子相互作用等表界面问题进行了系统性的研究。首先深入理解了氢氧化镁等极性矿物表界面性质这些本质问题，然后系统地研究了重金属离子砷酸根、铬酸根、铀酰离子等在氢氧化镁(001)面的吸附行为，并探索了其中的共性规律，主要内容如下: (1)氢氧化镁是一种典型的极性矿物，在环境领域有着广泛的应用，但是人们对其表面性质却并不清楚。一般认为极性矿物表面与水存在强的相互作用，有可能显著影响表面水的分布/取向、扩散/转动动力学行为乃至于表面水凝结等过程，然而我们研究发现极性矿物对水的作用及界面水的行为是一个复杂的问题。首先我们对氢氧化镁矿物表面水性质进行了分子动力学研究。水在氢氧化镁表面的具有明显的取向性，而且分布趋于有序，但无特定的吸附位点。氢氧化镁表面水的动力学性质，如驻留时间，扩散系数，以及氢键寿命与体相水的差异不明显，说明氢氧化镁对于水分子的动力学行为的影响较小，与很多其他的亲水矿物情况截然不同。另一方面，表面水-氢氧根之间的氢键强度比水-水之间氢键强度要弱，而且氢氧化镁对其界面水氢键网络干扰较小，没有破坏其界面水-水之间的氢键网络，这可能导致了氢氧化镁对表面水动力学影响小的情况。总的来说，虽然氢氧化镁是典型亲水矿物，但是与表面水作用并不强，表面氢氧根与水分子之间的氢键网络较弱，表面水分子运动较快，由此推测重金属离子容易吸附上去。另外，我们还研究了极性矿物滑石的疏水机制。尽管滑石与水有强的相互作用，因其表面特有的表面空穴会捕获水分子，从而干扰表面水之间的相互作用。我们揭示了表面结构破坏水水作用导致极性表面疏水的分子机制，证明了Wenzel模型不适用于原子级粗糙的极性表面。最后，我们探索了亲水矿物云母表面水凝结的完整过程，并提出了传统的Stranski-Krastanov生长模型的分子机制。 (2)在此基础上，我们系统地研究了多种重金属离子在氢氧化镁的吸附行为。针对氢氧化镁对铀酰离子吸附力强，但是单层吸附量不高的实验现象，我们使用分子动力学方法研究了铀酰离子在氢氧化镁表面的吸附动力学过程。铀酰离子在氢氧化镁表面的吸附过程伴随着氢氧根的拔出，其吸附形态是斜插入氢氧化镁表面。而且拔出的氢氧根分布在插入铀酰离子周围并与之形成稳定的配位作用，增强了铀酰离子的吸附稳定性。我们计算的铀酰离子吸附自由能与实验结果定量一致。另一方面，铀酰的吸附会影响其周围表面氢氧根的取向，这可能会妨碍其他铀酰离子在其附近的吸附，从而限制氢氧化镁的单层吸附容量。基于这个模型计算的单层吸附量为4％～5％，与实验数据一致。我们的结果揭示了氢氧化镁对于低浓度铀酰离子的优异提取性能的机理，同时解释了其高吸附力和较低吸附量之间的矛盾。另外，我们发现预吸附铀酰离子通过碳酸根配位能继续吸附铀酰，在氢氧化镁表面形成碳酸铀酰团簇，大大增加吸附量，这得到了实验的证实。 (3)吸附剂表面缺陷是普遍存在的，并且普遍被认为是活性反应位点，EXAFS得到的As-Mg距离也表明As(Ⅴ)吸附在氢氧化镁表面缺陷中。我们使用第一性原理计算分别比较了吸附在完整和缺陷氢氧化镁上的离子的吸附结构和能量。在氢氧化镁完整表面，重金属离子铬酸根、砷酸根与其他含氧酸根离子硫酸根、硝酸根，都与表面形成氢键作用。而在表面缺陷中，重金属离子与氢氧化镁之间存在较多电荷转移，并有电子轨道重叠。这表明重金属离子与氢氧化镁表面缺陷之间强的化学键相互作用稳定了其吸附。此时重金属离子吸附能力远远大于完整表面，从langmuir吸附模型的分离系数(separation factor)可知吸附力越强，其在低浓度下吸附效果越好。另外，氢氧化镁表面缺陷对重金属离子的吸附能远大于其他含氧酸根离子如硫酸根，硝酸根。因此表面缺陷可以选择性吸附重金属离子，这与实验上发现氢氧化镁对于低浓度的重金属离子如铬酸根，砷酸根等强于其他含氧酸根离子如硫酸根，硝酸根的现象一致。结合实验数据，我们提出表面缺陷增强材料对低浓度重金属离子吸附的分子机制。这为低浓度下重金属离子浓缩富集提供了一个新思路。