丙烯腈废水的超临界水氧化实验与理论研究

发布时间：2017-03-20 07:01

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【摘要】：超临界水氧化(SCWO)是一种用于水基有机废物的有效处理技术,是绿色可持续发展的技术。经过近30年来的发展,不论是在基础理论还是实际应用当中都取得了不小的进展,在石油化工、材料科学、生物工程、环境污染等领域均得到不同程度的应用,如有机污水、城市污泥与化学武器废料等的处理。本文以丙烯腈模拟废水为对象,使用课题组自主设计组装的一套连续型超临界设备,根据超临界水氧化技术的条件和原理,进行了研究与讨论。实验过程中,过氧系数为2,反应温度范围为460~535℃,反应压力范围为17~25 MPa,初始浓度值为0.5~2 g/L,反应停留时间在60~180 s之间,通过改变单一变量,并对出水COD进行重铬酸钾法测定,讨论反应条件对净化效率的影响。实验结果表明,随着温度、压力、丙烯腈初始浓度的增大和反应停留时间的延长,出水CODcr值不断减小,废水的净化效率逐渐上升,并作出净化效率随各反应条件变化的曲线。发现在越接近设定反应条上限的区域,其关系曲线越趋于平缓,表明废水中的丙烯腈基本被氧化完全。得出适宜反应条件为:温度505℃,压力23 MPa,初始浓度1g/L,停留时间为120 s。在此反应条件下,对丙烯腈在超临界水氧化过程中的反应动力学进行了研究,经过对实验数据的拟合和计算求出反应速率常数k的值为0.0648 s-1,并得出其宏观动力学方程为:最后,从量子化学理论的角度出发,使用密度泛函理论和B3LYP方法计算出C_3H_3N与H2O的优化结构,并分析了氧负离子自由基与其反应通道包括抽氢反应、置换氢反应和生成水反应,确定了反应通道存在的合理性。还在计算命令中加入电场方向以碳碳单键为z轴,电场大小从-100增大到+100,模拟超临界状态下C_3H_3N与羟基的相互作用,结果显示随着电场强度增大,C_3H_3N与羟基的相互作用能减小,生成的过渡态越不稳定,表明在z轴负方向上加电场有利于C_3H_3N氧化反应的进行。
【关键词】：超临界水氧化 丙烯腈 水处理 动力学 量子化学计算
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X783
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 丙烯腈废水的来源及危害10
• 1.1.2 丙烯腈国内外的处理现状10-14
• 1.2 超临界流体与超临界水14-17
• 1.2.1 超临界流体14
• 1.2.2 超临界水及其特性14-15
• 1.2.3 超临界水氧化的反应机理15-17
• 1.3 超临界水氧化技术的国内外研究现状17-22
• 1.3.1 超临界水氧化技术的应用17-20
• 1.3.2 超临界水氧化技术的优势20-21
• 1.3.3 超临界水氧化技术的局限性21-22
• 1.4 选题依据22-23
• 1.5 研究内容与方法23-24
• 2 实验部分24-29
• 2.1 实验方案24
• 2.2 实验试剂与仪器24-25
• 2.3 超临界设备及操作步骤25-26
• 2.3.1 实验设备规格25-26
• 2.3.2 实验步骤26
• 2.4 实验过程中的参数26-29
• 3 超临界氧化技术的实验条件对净化效率的影响29-35
• 3.1 反应温度与净化效率的关系29-30
• 3.2 反应压力与净化效率的关系30-31
• 3.3 初始浓度与净化效率的关系31-33
• 3.4 反应停留时间与净化效率的关系33-35
• 4 丙烯腈超临界水氧化的动力学研究35-40
• 4.1 化学反应动力学35-36
• 4.2 温度对反应速率的影响36-37
• 4.3 反应动力学方程37-39
• 4.3.1 建立动力学方程37-38
• 4.3.2 反应级数和速率常数38-39
• 4.4 小结39-40
• 5 丙烯腈氧化的量子化学计算研究40-51
• 5.1 量子化学理论及计算40-41
• 5.2 模拟计算C_3H_3N的氧化过程41-49
• 5.2.1 计算内容41
• 5.2.2 计算方法41-43
• 5.2.3 计算过程43-44
• 5.2.4 结果分析与讨论44-49
• 5.3 超临界状态下丙烯腈与羟基的反应49-51
• 6 结论与展望51-53
• 6.1 结论51
• 6.2 论文创新51-52
• 6.3 展望52-53
• 参考文献53-58
• 攻读硕士期间所取得的研究成果58-59
• 致谢59-60

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本文编号：257323