已入深夜,您辛苦了!由于当前在线用户较少,发布求助请尽量完整地填写文献信息,科研通机器人24小时在线,伴您度过漫漫科研夜!祝你早点完成任务,早点休息,好梦!

Sustainable conversion of biomass oxygenates

作者
Πασχάλης Παρασκευάς
标识
DOI:10.12681/eadd/43243
摘要

Η βιομάζα, ως μία πηγή ανανεώσιμης ενέργειας, μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στην αντιμετώπιση της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής και την επίδρασής της στην ανθρωπότητα. Η δυνατότητα μετατροπής της βιομάζας σε καύσιμα, ενέργεια, χημικά και βιομηχανικά προϊόντα αναμένεται να αυξήσει την αξία της τα επόμενα χρόνια, εξαιτίας της επιτακτικής ανάγκης για βιώσιμη ανάπτυξη και για δημιουργία περιβαλλοντικά φιλικών προϊόντων. Πολλές από τις βασικές μεθόδους μετατροπής της βιομάζας, όπως η καύση, η αεριοποίηση και η πυρόλυση,βασίζονται στη χημεία των ελευθέρων ριζών. Η βελτιστοποίηση των διεργασιών αυτών απαιτεί την ανάπτυξη θεμελιωδών κινητικών μοντέλων που περιέχουν χιλιάδες αντιδράσεις. Και η ανάπτυξη των μοντέλων αυτών καθιστά απαραίτητη τη γνώση όλων των θερμοδυναμικών και κινητικών παραμέτρων των εμπλεκόμενων ενώσεων και αντιδράσεων.Η απόκτηση όλων των αναγκαίων δεδομένων μέσω πειραμάτων είναι αδύνατη, κυρίως λόγω της υψηλής δραστικότητας των ενδιαμέσων σχηματιζόμενων ριζών. Η Υπολογιστική Χημεία προσφέρει ένα αξιόπιστο, συμπληρωματικό στα πειραματικά δεδομένα, εργαλείο, συμβάλλοντας στην απόκτηση θερμοδυναμικών και κινητικών δεδομένων μεγάλης ακρίβειας για ένα ευρύ φάσμα χημικών ενώσεων. Το βασικό της μειονέκτημα είναι το αυξανόμενο υπολογιστικό κόστος καθώς αυξάνει το μέγεθος των υπό μελέτη ενώσεων. Ενναλλακτικά, ακριβή δεδομένα για μεγαλύτερες ενώσεις μπορούν να προκύψουν από τη χρήση μεθόδων προσθετικών ιδιοτήτων κατά ομάδες που βασίζονται σε σχέσεις δομής-ιδιοτήτων και οι οποίες συσχετίζουν παραμέτρους με τις αντίστοιχες λειτουργικές μονάδες στη δομή μία ένωσης. Αυτές οι παράμετροι για μεγαλύτερες ενώσεις μπορούν να προκύψουν χρησιμοποιώντας μεθόδους υπολογιστικής χημείας για μικρότερα μόρια.Αντικειμενικός Σκοπός Ο αντικειμενικός σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μοντέλων μεγάλης ακρίβειας για τον προσδιορισμό θερμοδυναμικών ιδιοτήτων οξυγονούχων οργανικών ενώσεων και τον προσδιορισμό των παραμέτρων της εξίσωσης Arrhenius και των κινητικών αντιδράσεων για μερικούς από τους σημαντικότερους τύπους αντιδράσεων που συμμετέχουν στη θερμική αποδόμηση οξυγονούχων οργανικών ενώσεων. Οι θερμοδυναμικές παράμετροι και τα κινητικά δεδομένα που θα προκύψουν υπολογιστικά θα χρησιμοποιηθούν, σε συνδυασμό με τα μοντέλα θερμοδυναμικών ιδιοτήτων που θα αναπτυχθούν στο πλαίσιο της εργασίας αυτής, για την προσομοίωση της πυρόλυσης του μεθυλεστέρα βουτυρικού οξέος, μίας ένωσης που προσομοιάζει τις βασικές ιδιότητες του βιοντήζελ. Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Θερμοδυναμικά δεδομένα μεγάλης ακρίβειας είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη δικτύων αντιδράσεων, καθώς τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ενθαλπίας της αντίδρασης και της σταθεράς χημικής ισορροπίας, βάσει των οποίων υπολογίζονται οι ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η ab initio μέθοδος CBS-QB3, με χρήση διορθώσεων για μονοδιάστατη παρεμποδιζόμενη περιστροφή, με σκοπό τον προσδιορισμό θερμοδυναμικών παραμέτρων(πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού, ΔfHo, πρότυπη εντροπία, So, και θερμοχωρητικότητα, Cp) για 450 οξυγονούχες οργανικές ενώσεις. Από αυτή τη βάση δεδομένων υπολογίσθηκαν,χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του Benson, 157 τιμές προσθετικών ιδιοτήτων κατά ομάδες (groupadditive values, GAVs) που αφορούν οξυγονούχες οργανικές ενώσεις. Για να επιτύχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια στο μοντέλο που αναπτύχθηκε, εισήχθησαν 26 διορθώσεις για αλληλεπιδράσεις μεταξύ μη άμεσα γειτονικών ατόμων (non-nearest-neighbor-interactions,NNIs). Η πλειονότητα των τιμών που υπολογίσθηκαν στο πλαίσιο της μελέτης αυτής δεν έχει υπολoγισθεί ποτέ στο παρελθόν. Ενναλλακτικά της μεθόδου προσθετικών ιδιοτήτων για τις ρίζες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος της προσθήκης δεσμού υδρογόνου (hydrogen bondincrement method, HBI). Προσδιορίσθηκαν 77 τιμές για προσθήκες δεσμών υδρογόνου για τον προσδιορισμό θερμοδυναμικών ιδιοτήτων ριζών οξυγονούχων οργανικών ενώσεων. Η αξιοπιστία του μοντέλου προσθετικών ιδιοτήτων που αναπτύχθηκε πιστοποιήθηκε με σύγκριση των προβλέψεων του μοντέλου με πειραματικά δεδομένα καθώς επίσης και με ab initioυπολογισμένες τιμές. Η μέση απόλυτη τιμή της απόκλισης που προέκυψε από τη σύγκριση αυτή ήταν κάτω από 4 kJ mol-1 για την πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού, και κάτω από 4 J mol-1 K-1γ ια την πρότυπη εντροπία και θερμοχωρητικότητα.Κινητικές Αντιδράσεων Δύο τύποι αντιδράσεων μελετήθηκαν στη Διατριβή αυτή, οι αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου και οι αντιδράσεις προσθήκης ριζών άνθρακα (με αντίστροφη αντίδραση τη σχάση σε β θέση) που αφορούν οξυγονούχες οργανικές ενώσεις. Οι ταχύτητες αντιδράσεων υπολογίσθηκαν με τη χρήση της συμβατικής θεωρίας επιπέδου μετάβασης κατά την εξέλιξη της αντίδρασης από τα αντιδρώντα στα προϊόντα (conventionaltransition state theory, CTST). Οι ab initio υπολογισμοί έγιναν με τη χρήση της μεθοδολογίαςCBS-QB3, συμπεριλαμβάνοντας διορθώσεις για μονοδιάστατη παρεμποδιζόμενη περιστροφή γύρω από τον σχηματιζόμενο/αποδομούμενο δεσμό στο επίπεδο μετάβασης της αντίδρασης .Επιπλέον, μόνο για τις αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου, συμπεριλήφθησαν διορθώσεις για το φαινόμενο σήραγγας όπως αυτές καθορίσθηκαν από τον Eckart (Eckart’s zero curvaturetunneling corrections).Για τη μοντελοποίηση των κινητικών αντιδράσεων χρησιμοποιήθηκε η μεθοδος προσθετικών ιδιοτήτων κατά ομάδες που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Χημικής Τεχνολογίας της Γάνδης(Laboratory for Chemical Technology of the University of Ghent, LCT). Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, οι παράμετροι της εξίσωσης Arrhenius για την υπό μελέτη αντίδραση μπορούν να υπολογισθούν προσθέτωντας «διαταράξεις» στις αντίστοιχες παραμέτρους μια αντίδρασης αναφοράς. Οι «διαταράξεις» αυτές αναφέρονται σε διαφορές στη δομή της υπό μελέτη αντίδρασης σε σχέση με την αντίδραση αναφοράς και βασίζονται στις προσθετικές ιδιότητες παραμέτρων όπως η ενθαλπία και η εντροπία. Στη μελέτη αυτή κρίθηκε αναγκαίο, για να αυξηθεί η ακρίβεια του μοντέλου, να συμπεριληφθεί και η συνεισφορά των δευτερευουσών ομάδων ατόμων. Επιπλεον, για τις αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου, χρησιμοποιήθηκαν επίσης διορθώσεις που αφορούν φαινόμενα συντονισμού από αλληλεπιδράσεις χαρακτηριστικών ομάδων εκατέρωθεν του επιπέδου μετάβασης κατά την εξέλιξη της αντίδρασης. Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής αναπτύχθηκαν τέσσερα μοντέλα προσθετικών ιδιοτήτων τα οποία θα αναλυθούν με λεπτομέρειες παρακάτω.Αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου από οξυγονούχες οργανικές ενώσεις μέσω ριζών με ενεργό κέντρο άνθρακα. Δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων με παραμέτρους της εξίσωσης Arrheniusκαι ταχύτητες αντιδράσεων για 103 αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου από οξυγονούχες οργανικές ενώσεις μέσω ριζών με ενεργό κέντρο άνθρακα. Από τα δεδομένα αυτά 15 τιμές προσθετικών ιδιοτήτων κατά ομάδες (ΔGAVos) υπολογίσθηκαν για πρωταρχικές και δευτερεύουσες ομάδες, καθώς επίσης και 9 παράγοντες διόρθωσης για φαινόμενα συντονισμού εκατέρωθεν του επιπέδου μετάβασης κατά την εξέλιξη μιας αντίδρασης. Η αξιοπιστία του μοντέλου που προέκυψε πιστοποιήθηκε με σύγκριση των προβλέψεων του μοντέλου με ab initio υπολογισμένες τιμές (μέση απόλυτη τιμή της απόκλισης 0.250 log(m3 mol-1s-1) και 1.5 kJ mol-1 για τον προεκθετικό παράγοντα και την ενέργεια ενεργοποίησης, αντίστοιχα, στους 300 Κ).Συγκρίνοντας την πρόβλεψη του μοντέλου για τις ταχύτητες των αντιδράσεων με 33 πειραματικές ταχύτητες, η μέση απόλυτη τιμή της απόκλισης ήταν μόνο 2.2.Αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου από οξυγονούχες οργανικές ενώσεις μέσω ρίζας υδρογόνου. Ηίδια προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε επίσης για 60 αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου από οξυγονούχες οργανικές ενώσεις μέσω ρίζας υδρογόνου. Από τις αντιδράσεις αυτές υπολογίσθηκαν 15 τιμές προσθετικών ιδιοτήτων κατά ομάδες για πρωταρχικές και δευτερεύουσες ομάδες. Η αξιοπιστία του μοντέλου που προέκυψε πιστοποιήθηκε με σύγκριση των προβλέψεων του μοντέλου με ab initio υπολογισμένες τιμές και με πειραματικά δεδομένα με μέση απόλυτη απόκλιση 2.0 και 3.0 αντίστοιχα.Αντιδράσεις απόσπασης υδρογόνου από οξυγονούχες οργανικές ενώσεις μέσω ριζών με ενεργό κέντρο οξυγόνο. Αυτή η κατηγορία αντιδράσεων περιλαμβάνει δύο τύπους επιπέδων μετάβασης από τα αντιδρώντα στα προϊόντα, και συγκεκριμένα αποσπάσεις υδρογόνου από άτομο συνδεδεμένο με άτομο άνθρακα ή με άτομο οξυγόνου, που αντιστοιχούν σε επίπεδα μετάβασης της μορφής O--H--C και O--H--O αντίστοιχα. 118 αντιδράσεις μελετήθηκαν και κινητικές παράμετροι υπολογίσθηκαν με ab initio μεθόδους για θερμοκρασιακό εύρος 300-2500 Κ. Από τα δεδομένα αυτά υπολογίσθηκαν 43 ΔGAVos για πρωταρχικές και δευτερεύουσες ομάδες και 37 παράγοντες διόρθωσης για φαινόμενα συντονισμού εκατέρωθεν του επιπέδου μετάβασης κατά την εξέλιξη μιας αντίδρασης. Η πιστοποίηση της αξιοπιστίας του μοντέλου στην πρόβλεψη κινητικών αντιδράσεων υλοποιήθηκε με τη χρήση ενός σετ 25 αντιδράσεων με ab initioυπολογισμένες παραμέτρους και ενός σετ 61 πειραματικών ταχυτήτων αντιδράσεων με αποκλίσεις περίπου 3.0 και για τα δύο σετ αντιδράσεων.Αντιδράσεις προσθήκης ρίζας με ενεργό κέντρο άνθρακα σε οξυγονούχες οργανικές ενώσεις και αντιδράσεις β σχάσης από οξυγονούχες οργανικές ενώσεις. Δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων με παραμέτρους της εξίσωσης Arrhenius και ταχύτητες αντιδράσεων για 66 αντιδράσεις προσθήκης ρίζας με ενεργό κέντρο άνθρακα σε οξυγονούχες ενώσεις και αντιδράσεις β σχάσης από οξυγονούχες οργανικές ενώσεις σε θερμοκρασίες 300-2500 Κ. Από τα δεδομένα αυτά υπολογίσθηκαν 32 ΔGAVos για πρωταρχικές και δευτερεύουσες ομάδες προσθετικών ιδιοτήτων. Εξαιτίας της έλλειψης πειραματικών δεδομένων η πιστοποίηση της αξιοπιστίας του μοντέλου που αναπτύχθηκε έγινε με σύγκριση των προβλέψεων του μοντέλου με ab initio υπολογισμένες παραμέτρους για αντιδράσεις αυτού του τύπου οδηγώντας σε αποκλίσεις περίπου 3.0 και για τις δύο κατευθύνσεις της αντίδρασης. Από όσο γνωρίζουμε για την κατηγορία των αντιδράσεων προσθήκης των ενώσεων αυτών δεν έχουν καθορισθεί ομάδες προσθετικών ιδιοτήτων ποτέ στο παρελθόν, ενώ τα πειραματικά δεδομένα για τις ενώσεις αυτές είναι πολύ σπάνια.Προσομοίωση της πυρόλυσης του μεθυλεστέρα του βουτυρικού οξέος (methyl butanoate,MB) Το λογισμικό με το όνομα

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
小二郎的应助被lajdb采纳,获得10
刚刚
可爱草丛发布了新的文献求助30
3秒前
勤奋的立果完成签到 ,获得积分10
4秒前
善良的汉堡完成签到 ,获得积分10
7秒前
7秒前
小赵冲冲冲完成签到,获得积分10
10秒前
细心的连虎完成签到,获得积分10
10秒前
whistle完成签到,获得积分10
12秒前
无奈奎完成签到,获得积分10
13秒前
俭朴苑博的应助被Neil采纳,获得10
15秒前
16秒前
酸性纯水完成签到,获得积分10
20秒前
20秒前
20秒前
自然念云完成签到 ,获得积分10
20秒前
123456完成签到 ,获得积分10
22秒前
dq发布了新的文献求助10
23秒前
23秒前
失眠的修杰完成签到,获得积分10
24秒前
Xty007完成签到,获得积分10
24秒前
林狗的应助被科研通管家采纳,获得10
26秒前
GingerF的应助被科研通管家采纳,获得50
26秒前
波利安娜发布了新的文献求助10
26秒前
是多多呀完成签到 ,获得积分10
28秒前
momojee发布了新的文献求助10
29秒前
30秒前
Tayzon完成签到,获得积分10
30秒前
31秒前
CYQ完成签到 ,获得积分10
32秒前
阿坤完成签到 ,获得积分10
33秒前
高兴溪流完成签到,获得积分20
34秒前
WindStar发布了新的文献求助10
34秒前
momojee完成签到,获得积分20
36秒前
ziw完成签到,获得积分10
37秒前
科研通AI6.4的应助被wu采纳,获得30
37秒前
清爽老九的应助被Lonely采纳,获得30
38秒前
wickedjon发布了新的文献求助30
38秒前
inRe完成签到,获得积分10
38秒前
daremo完成签到,获得积分10
39秒前
小蘑菇的应助被NANA采纳,获得10
40秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
CODESSA Version 2.13 for Windows 2000
Rosenblum, Global Change Biology 800
Berberine regulates the TLR4 signaling pathway to suppress hypoxia-induced proliferation and migration of pulmonary arterial smooth muscle cells 520
Organizational Behavior 510
A Concise Course in Continuum Mechanics 400
A Silent Apostrophe:The Fayum Portraits 350
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 计算机科学 工程类 纳米技术 有机化学 化学工程 内科学 物理 生物化学 复合材料 催化作用 细胞生物学 人工智能 心理学 无机化学 基因 遗传学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7846773
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9367031
关于积分的说明 20652698
捐赠科研通 7443346
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3341826
关于科研通互助平台的介绍 2485679
邀请新用户注册赠送积分活动 2364578