Fenton法降解TBP/正十二烷的实验和计算研究

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磷酸三丁酯(TBP)和正十二烷,在核电站乏燃料后处理Purex流程中分别被用作萃取剂和稀释剂,随着使用次数的增加萃取效果逐渐下降,最终需要作为放射性有机废物处理,而芬顿(Fenton)法作为一种十分有效的有机物处理的手段,给核电站有机废物的处理带来了新的思路,本文通过实验和计算相结合的手段研究了在芬顿反应条件下TBP和正十二烷的降解过程。在实验上,通过对温度(60℃~94℃)、芬顿试剂体积(200 m L~550 m L)、硫酸浓度(0 M~2 M)和催化剂浓度(0.2 M~0.6 M)的优化,得知当反应温度为94℃时,使用150 m L双氧水和50 m L催化剂溶液(0.4 M Fe2+,1 M H2SO4)对模拟有机废液(使用TBP与正十二烷按照3:7比例配置)的降解效果最佳,在反应进行120分钟后,有机相去除率高达97%。在量子化学计算上,使用密度泛函理论(DFT)在M06-2X/6-31+G(d)//6-311+G(d,p)的计算水平下详细研究了TBP和正十二烷的降解反应机理。TBP分子的降解途径可分为直接水解和先氧化后降解,氧化又根据氧化位点的不同可进一步的分成A/B/C/D四种情况。其中,直接水解因其需克服的能垒较高且反应吸热而难以发生,先氧化后降解在四个位点均可发生,氧原子邻位碳原子的质子转移的路径(A4)最容易发生。此外,对磷酸二丁酯(DBP)和磷酸一丁酯(MBP)降解机理的计算研究结果表明,DBP分子更难降解,而MBP分子的迅速降解可能导致其在芬顿体系下难以被检测。正十二烷分子属于C2h点群,具有较高的对称性,其降解途径主要可以分为端部位点氧化降解和内部位点氧化降解,本课题选取端部位点和次端部位点进行了氧化降解计算。结果表明,端部位点氧化路径中的最高能垒为41.5 kcal/mol,比次端部位点氧化的最高能垒低13.0 kcal/mol,因此更容易发生。
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