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近年来,大气压低温等离子体降解农药残留的可行性受到了学者们的广泛关注,但研究涉及到的农药种类有限,缺少对等离子体特性与阿维菌素降解效果的实验探究,且在等离子体与农药分子作用机理方面也有大量的研究空白。
本文搭建了介质阻挡放电低温等离子体(Dielectric Barrier Discharge Nonthermal Plasma,DBD-NTP)降解实验平台,基于不同操作参数(放电电压、处理时间和气体流量)对阿维菌素降解效果的影响,确定参数调控范围,为DBD-NTP降解阿维菌素研究提供实验依据。借助反应分子动力学模拟(Reactive Force Field Molecular Dynamic,ReaxFF-MD),研究活性氧粒子(Reactive Oxygen Species,ROS)作用下阿维菌素可能的破坏路径,为DBD-NTP降解阿维菌素研究提供理论支撑。
(1)针对研究对象,设计适于液体处理的DBD-NTP放电装置,探究等离子体的电学特性和光学特性。结果显示,实验使用的介质阻挡放电是一种阻容性放电;利用发射光谱,观察到强氧化性的OH·和O·的特征谱线以及多种高能亚稳态氩原子的特征谱线,这些光谱谱线证明等离子体在降解阿维菌素上的应用潜力。
(2)基于自主设计的放电装置,搭建DBD-NTP降解阿维菌素的实验平台,开展低温等离子体降解阿维菌素的实验研究。通过超高效液相色谱-质谱联用分析(Ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry,UPLC-MS/MS)探究不同处理时间、放电电压和气体流速对阿维菌素降解效果的影响,结果表明DBD-NTP对阿维菌素的降解效果随放电电压和处理时间的增加而增加,而随气体流速的增加先增加后降低。放电电压18kV,气体流速1L/min的DBD-NTP处理240s后,阿维菌素的最大降解率可达97.47%。对比处理前后阿维菌素溶液发现,DBD-NTP处理240s后溶液pH值降低37.38%而电导率升高14.14倍。
(3)在MaterialsStudio中搭建分子结构,构建ROS与阿维菌素作用的反应分子动力学模拟平台,研究原子氧O·和羟基OH·作用下阿维菌素的破坏路径和产物。结果表明,ROS通过夺氢反应使分子结构中的化学键断裂(如C-O、C-C等),破坏了阿维菌素结构的完整性。其中,O·通过破坏糖基六杂元环和酯基结构使阿维菌素结构瓦解,而OH·则是破坏酯基结构使阿维菌素结构断裂。在相同尺寸的反应空间内,随着OH·粒子数量的增加,ROS破坏阿维菌素的化学键种类增多,主要破坏路径的破坏率提高,当OH·粒子数量增加到50时,出现新的破坏路径:C13位上的齐墩果糖二糖基脱落。
本课题突破传统手段降解阿维菌素的局限性,通过开展介质阻挡放电低温等离子体降解阿维菌素的实验研究和模拟工作,为等离子体降解农药残留提供理论基础和技术支持。
本文搭建了介质阻挡放电低温等离子体(Dielectric Barrier Discharge Nonthermal Plasma,DBD-NTP)降解实验平台,基于不同操作参数(放电电压、处理时间和气体流量)对阿维菌素降解效果的影响,确定参数调控范围,为DBD-NTP降解阿维菌素研究提供实验依据。借助反应分子动力学模拟(Reactive Force Field Molecular Dynamic,ReaxFF-MD),研究活性氧粒子(Reactive Oxygen Species,ROS)作用下阿维菌素可能的破坏路径,为DBD-NTP降解阿维菌素研究提供理论支撑。
(1)针对研究对象,设计适于液体处理的DBD-NTP放电装置,探究等离子体的电学特性和光学特性。结果显示,实验使用的介质阻挡放电是一种阻容性放电;利用发射光谱,观察到强氧化性的OH·和O·的特征谱线以及多种高能亚稳态氩原子的特征谱线,这些光谱谱线证明等离子体在降解阿维菌素上的应用潜力。
(2)基于自主设计的放电装置,搭建DBD-NTP降解阿维菌素的实验平台,开展低温等离子体降解阿维菌素的实验研究。通过超高效液相色谱-质谱联用分析(Ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry,UPLC-MS/MS)探究不同处理时间、放电电压和气体流速对阿维菌素降解效果的影响,结果表明DBD-NTP对阿维菌素的降解效果随放电电压和处理时间的增加而增加,而随气体流速的增加先增加后降低。放电电压18kV,气体流速1L/min的DBD-NTP处理240s后,阿维菌素的最大降解率可达97.47%。对比处理前后阿维菌素溶液发现,DBD-NTP处理240s后溶液pH值降低37.38%而电导率升高14.14倍。
(3)在MaterialsStudio中搭建分子结构,构建ROS与阿维菌素作用的反应分子动力学模拟平台,研究原子氧O·和羟基OH·作用下阿维菌素的破坏路径和产物。结果表明,ROS通过夺氢反应使分子结构中的化学键断裂(如C-O、C-C等),破坏了阿维菌素结构的完整性。其中,O·通过破坏糖基六杂元环和酯基结构使阿维菌素结构瓦解,而OH·则是破坏酯基结构使阿维菌素结构断裂。在相同尺寸的反应空间内,随着OH·粒子数量的增加,ROS破坏阿维菌素的化学键种类增多,主要破坏路径的破坏率提高,当OH·粒子数量增加到50时,出现新的破坏路径:C13位上的齐墩果糖二糖基脱落。
本课题突破传统手段降解阿维菌素的局限性,通过开展介质阻挡放电低温等离子体降解阿维菌素的实验研究和模拟工作,为等离子体降解农药残留提供理论基础和技术支持。