基于Fenton法降解有机物动力学的定量构效关系模型研究

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Fenton法作为一种高效处理难降解有机废水的高级氧化技术,在废水处理方面备受青睐。常规的Fenton法研究主要包括以下方面:特定有机物或特定废水的Fenton反应去除效率;Fenton氧化反应的反应条件探究和优化;Fenton氧化反应的机理研究等。然而有机物的种类繁多、结构复杂,如果对每一种有机物都进行Fenton氧化实验研究,将会带来巨大的时间和人力成本。定量构效关系研究广泛用于有机物或药物的生物毒性等性质预测,通过建立有机物的反应活性与其分子特定结构的化学描述符之间的关系方程,有效地对新兴有机物的活性进行准确预测。本文即在上述研究的基础下,利用定量构效关系来构建有机物Fenton氧化反应活性与其分子结构的量化参数间的关系。论文选取了18种不同类型的有机物(如苯胺、双酚A、橙黄G等),在不同的反应温度条件下对其进行Fenton氧化,采用色度去除率来表征有机物的去除率,利用一级动力学方程来拟合Fenton氧化有机物初始阶段的反应速率常数,将该反应速率常数代入阿伦尼乌斯方程去拟合Fenton反应活化能。通过量子化学软件计算有机物分子结构的量化参数作为分子描述符,建立Fenton反应有机物的活化能与其分子结构的量化参数间的关系模型。得到的主要结论如下:(1)Fenton法氧化去除有机物效果较为理想,尤其是以橙黄G、甲基橙为代表的偶氮染料在很短的时间内就能获得很高的去除率。升高反应温度对有机物的去除率有着显著的提升作用。有机物反应速率受温度的影响也不尽相同。对于常温状态下反应速率较高的有机物,过高的反应温度不能明显提升其反应速率。而对于常温状态下去除率不明显的有机物,其对温度的敏感性较强,升高反应温度可使其反应速率常数成倍增长。总体来说,在Fenton反应中升温有利于反应的加快。(2)Fenton反应活化能与EB3LYP、q(C-min、Fukui指数等11个分子描述符呈正相关,与μ、EGAP等9个分子描述符呈负相关。有机物的总能量EB3LYP是对活化能影响最大的参数。有机物分子中碳原子吸电子能力越强,反应越容易进行,所需活化能越小。活化能的大小与有机物反应活性位点密切相关。(3)采用多元线性回归方法建立Fenton反应活化能关系模型。以分子描述符是否包含Fukui指数为依据,建立了两组模型。模型6:Ea=-133.571+0.024EB3LYP+76.402q(C-min+138.903BOmax+383.348f(0)min在众多模型中为最优模型。模型6的R2为0.873,R2adj为0.817,SD值为10.445。模型的拟合程度优,模型内外验证结果表明该模型具有较强的稳定性;外部验证Q2=0.952,模型预测能力好;能对有机物Fenton反应活化能进行很好的预测。
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