超临界水中聚丙烯酰胺降解与氮迁移机制的分子动力学研究：环境友好型含聚合物污泥处理新策略

为解决含聚丙烯酰胺(PAM)油泥处理难题，中国研究人员通过ReaxFF分子动力学模拟，系统研究了PAM在热解、超临界水气化(SCWG)和超临界水氧化(SCWO)条件下的降解机制。研究发现SCWO产生的·OH和HO2 •自由基可显著提升酰胺基断裂效率129.17%，并揭示NH3 为主要含氮中间体、高温促进N2 生成的规律，为含聚合物危险废物无害化处理提供理论依据。

　　

在石油工业快速发展的今天，油泥处理已成为亟待解决的环境难题。随着聚合物驱油技术的广泛应用，含聚丙烯酰胺(PAM)的油泥因其超强稳定性让传统处理方法束手无策——这些"顽固分子"不仅能将无机颗粒锚定在油水界面，还能使乳液屈服应力暴增22倍。更棘手的是，PAM降解会释放大量含氮化合物，使得焚烧、热解等处理方式可能造成二次污染。面对这一困境，山东某高校的研究团队将目光投向了被誉为"21世纪最有前景的有机废物处理技术"——超临界水氧化(SCWO)。这项发表在《Environmental Research》的研究，首次从分子层面揭示了PAM在超临界水中的"解体密码"。

研究团队采用ReaxFF反应力场(一种能动态描述化学键断裂/形成的计算方法)进行分子动力学(MD)模拟，对比分析了PAM在热解、SCWG和SCWO三种条件下的反应差异。通过构建包含200个PAM单体、4000个水分子及不同比例氧分子的模拟体系，在3500-5000K温度范围内捕捉了纳秒级的反应动态。实验验证则使用专用SCWO系统，以有机碳转化率(OCCR)为评价指标，确保模拟结果的可靠性。

自由基生成与转化
模拟显示SCWO条件下H₂
O和O₂
产生的·OH和HO₂
•自由基会精准攻击酰胺基的碳原子，使其脱离效率较热解提升129.17%。这些"分子狙击手"的存在彻底改变了反应格局。

PAM解聚模式
高氧浓度使O/C比高的中间体获得反应优势，-CHO₃
向CO₂
的转化率最高提升26.39%。这种"氧助攻"效应为定向调控产物分布提供了可能。

氮元素迁移
NH₃
被确认为主要含氮中间体，而温度对氮转化具有决定性影响——5000K时N₂
生成时间较3500K提前300皮秒，产量翻倍。这为控制含氮污染物排放提供了关键参数。

该研究不仅阐明了PAM在超临界水中的降解机制，更建立了反应条件-自由基行为-产物分布的定量关系。特别值得注意的是，团队发现高温下氮元素更易转化为无害的N₂
而非有毒含氮有机物，这一发现可直接指导工程实践中温度参数的优化。对于石油工业而言，这项研究为含聚合物油泥的无害化处理提供了分子层面的理论支撑，使得SCWO技术向工业化应用又迈进了一步。正如研究者Peng Zhang在讨论部分强调的："理解氮迁移路径对开发经济高效的后续处理工艺具有特殊价值，这可能是突破含聚合物危险废物处理瓶颈的关键所在。"