CN110176278A - 一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法 - Google Patents

一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，包括以下步骤：S01，根据天冬氨酸生成二氯乙腈以及二氯乙腈水解均符合一级连续反应，建立二氯乙腈浓度随着时间变化的表达式；S02，对二氯乙腈浓度公式求导得到其最大值对应的时间表达式，反带入S01中二氯乙腈浓度表达式中，得到二氯乙腈的最大浓度随着时间变化表达式；S03，将不少于1组实际反应体系的二氯乙腈浓度与时间数据带入S01的表达式中，通过MATLAB软件非线性拟合得到表达式的参数。本发明的一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，用于表达天冬氨酸生成二氯乙腈随着时间的变化规律，有利于研究对处理含氮消毒副产物生成的控制以及其处理技术。

Description

一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模 方法
技术领域
本发明涉具体涉及一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，属于连续反应动力学技术领域。
背景技术
饮用水安全问题一直受到人们的关注，消毒剂普遍应用于水处理中来保障饮用水安全，然而消毒剂与有机物会发生反应生成消毒副产物。目前已经发现超过一千种含氮消毒副产物，其中含氮消毒副产物是一类新兴含氮消毒副产物，相对于三卤甲烷和卤乙酸等常规含碳消毒副产物具有较高的细胞毒性和遗传毒性。但是现有的水处理技术主要为基于常规处理技术的强化混凝、增加预处理和深度处理技术等，对于控制含氮消毒副产物的生成具有局限性。同时，针对控制含氮消毒副产物生成与水解机理的研究尚处于起步阶段，特别是对于氨基酸氯化生成含氮消毒副产物的特性也尚不明确，所以需要研究氨基酸氯化生成含氮消毒副产物经时变化规律，建立氨基酸氯化生成含氮消毒副产物的连续反应动力学模型。
常见含氮消毒副产物的前体主要有天冬氨酸，它与氯反应生成的含氮消毒副产物中，在常规条件下主要生成二氯乙腈、三氯硝基甲烷和二氯乙酰氨，只有在特殊条件下才会生成二甲基亚硝胺和氯化氰。天冬氨酸在生产二氯乙腈的同时，二氯乙腈也会发生水解生产二氯乙酰胺。目前，天冬氨酸生成二氯乙腈随着时间的变化规律并不清楚，不利于研究对处理含氮消毒副产物生成的控制以及其处理技术。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术不足，提出一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，用于表达天冬氨酸生成二氯乙腈随着时间的变化规律，有利于研究对处理含氮消毒副产物生成的控制以及其处理技术。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，包括以下步骤：
S01，根据天冬氨酸生成二氯乙腈以及二氯乙腈水解均符合一级连续反应，建立二氯乙腈浓度随着时间变化的表达式；
S02，对二氯乙腈浓度公式求导得到其最大值对应的时间表达式，反带入S01中二氯乙腈浓度表达式中，得到二氯乙腈的最大浓度随着时间变化表达式；
S03，将不少于1组实际反应体系的二氯乙腈浓度与时间数据带入S01的表达式中，通过MATLAB软件非线性拟合得到表达式的参数，判断氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学机理，并进一步预测任意时间下的二氯乙腈浓度值。
S01中，二氯乙腈浓度随着时间变化的表达式具体为：
其中，CDCAN为反应时间为t时，溶液中检测出的二氯乙腈浓度；CAsp,0为天冬氨酸的初始浓度；MDCAN为二氯乙腈的摩尔质量；αDCAN为二氯乙腈的反应系数；kDCAN1为二氯乙腈的生成速率常数；kDCAN2为二氯乙腈的水解速率常数。
S02中，二氯乙腈浓度最大值对应的时间表达式为：
其中，tmax代表二氯乙腈浓度最大值时对应的反应时间。
S02中，二氯乙腈的最大浓度的表达式为：
其中，CDCAN,max代表二氯乙腈浓度最大值。
天冬氨酸的初始浓度CAsp,0为0.1mmol/L。
反应时间为t分别取1h、2h、4h、8h、24h、48h、72h、120h和168h。
本发明的有益效果：本发明提供一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，得到氨基酸氯化生成二氯乙腈经时变化规律，建立氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型，从而有利于进一步研究对处理含氮消毒副产物生成的控制以及其处理技术。
附图说明：
图1是实际反应体系中二氯乙腈连续反应浓度随时间变化关系实验数据以及模型拟合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
天冬氨酸生成二氯乙腈以及二氯乙腈水解均符合一级连续反应，其中A代表天冬氨酸、B代表二氯乙腈和C代表二氯乙酰胺，k1代表二氯乙腈生产速率，k2代表二氯乙腈水解速率。本发明基于天冬氨酸生成二氯乙腈以及二氯乙腈水解均符合一级连续反应，建立氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模，具体包括以下步骤：
步骤一，根据天冬氨酸生成二氯乙腈以及二氯乙腈水解均符合一级连续反应，建立二氯乙腈浓度随着时间变化的表达式。S01中，二氯乙腈浓度随着时间变化的表达式具体为：
其中，CDCAN为反应时间为t时，溶液中检测出的二氯乙腈浓度；CAsp,0为天冬氨酸的初始浓度；MDCAN为二氯乙腈的摩尔质量；αDCAN为二氯乙腈的反应系数；kDCAN1为二氯乙腈的生成速率常数；kDCAN2为二氯乙腈的水解速率常数。
步骤二，对二氯乙腈浓度公式求导得到其最大值对应的时间表达式，反带入步骤一中二氯乙腈浓度表达式中，得到二氯乙腈的最大浓度随着时间变化表达式。二氯乙腈浓度最大值对应的时间表达式为：
其中，tmax代表二氯乙腈浓度最大值时对应的反应时间。那么，二氯乙腈的最大浓度的表达式为：
其中，CDCAN,max代表二氯乙腈浓度最大值。
步骤三，将不少于1组实际反应体系的二氯乙腈浓度与时间数据带入步骤一的表达式中，通过MATLAB软件非线性拟合得到表达式的参数，判断氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学机理，并进一步预测任意时间下的二氯乙腈浓度值。
配置0.1mmol/L的天冬氨酸溶液，为保证天冬氨酸反应充分，加入3mmol/L的次氯酸钠，调节溶液的pH值为7±0.2，温度22±1℃，在反应时间分别为1h、2h、4h、8h、24h、48h、72h、120h和168h时取样，加入抗坏血酸终止反应，测定各个时刻二氯乙腈的浓度值。
根据公式(1)应用MATLAB软件进行拟合如图1所示，图中实心方块点代表真实实验数据中二氯乙腈的浓度值，图中曲线代表根据模型拟合而得到的二氯乙腈浓度随时间变化曲线。根据模拟结果，相关系数为0.97，二氯乙腈的反应系数αDCAN为0.012，二氯乙腈的生成速率常数kDCAN1为0.9829h-1；二氯乙腈的水解速率常数kDCAN2为0.0106h-1，说明天冬氨酸和氯反应生成二氯乙腈水解符合一级反应，二氯乙腈的生成速率常数明显大于水解速率常数，所以会呈现水溶液中检测的二氯乙腈浓度先升高后降低的趋势，将kDCAN1和kDCAN2的值带入公式(2)和公式(3)中计算得二氯乙腈的到达最大浓度时的反应时间tmax为4.66h，最大浓度值CDCAN,max为125.4μg/L。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，根据天冬氨酸生成二氯乙腈以及二氯乙腈水解均符合一级连续反应，建立二氯乙腈浓度随着时间变化的表达式；
S02，对二氯乙腈浓度公式求导得到其最大值对应的时间表达式，反带入S01中二氯乙腈浓度表达式中，得到二氯乙腈的最大浓度随着时间变化表达式；
S03，将不少于1组实际反应体系的二氯乙腈浓度与时间数据带入S01的表达式中，通过MATLAB软件非线性拟合得到表达式的参数，判断氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学机理，并进一步预测任意时间下的二氯乙腈浓度值。
2.根据权利要求1所述的一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，其特征在于：S01中，二氯乙腈浓度随着时间变化的表达式具体为：
其中，CDCAN为反应时间为t时，溶液中检测出的二氯乙腈浓度；CAsp,0为天冬氨酸的初始浓度；MDCAN为二氯乙腈的摩尔质量；αDCAN为二氯乙腈的反应系数；kDCAN1为二氯乙腈的生成速率常数；kDCAN2为二氯乙腈的水解速率常数。
3.根据权利要求2所述的一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，其特征在于：S02中，二氯乙腈浓度最大值对应的时间表达式为：
其中，tmax代表二氯乙腈浓度最大值时对应的反应时间。
4.根据权利要求3所述的一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，其特征在于：S02中，二氯乙腈的最大浓度的表达式为：
其中，CDCAN,max代表二氯乙腈浓度最大值。
5.根据权利要求2所述的一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，其特征在于：天冬氨酸的初始浓度CAsp,0为0.1mmol/L。
6.根据权利要求2所述的一种氨基酸氯化生成二氯乙腈的连续反应动力学模型建模方法，其特征在于：反应时间为t分别取1h、2h、4h、8h、24h、48h、72h、120h和168h。
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