碱/碱土金属调控甘氨酸热解过程中NH3/HCN生成机制的TG-FTIR与DFT研究及其在污泥热解氮污染控制中的应用

本期推荐一项融合热重-红外联用（TG-FTIR）与密度泛函理论（DFT）计算的创新研究。该工作首次在分子层面揭示碱/碱土金属（AAEMs）通过调节能垒方向性抑制NH3生成并促进HCN形成的机制，为污泥热解过程中氮污染物（NOX前体）的精准调控提供理论基石。

　　

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Materials

本研究选用甘氨酸（Gly）作为污泥模型化合物，并采用CaO、MgO、KCl和NaCl分别探究Ca、Mg、K、Na对甘氨酸热解及HCN/NH₃生成的影响。所有样品购自国药集团化学试剂有限公司，纯度高于99.9%。实验前将甘氨酸于105°C干燥箱中放置24小时，干燥后样品充分研磨，筛选粒径小于74μm的颗粒。CaO、MgO、KCl和NaCl均以5%质量比与甘氨酸物理混合，确保均匀分散后用于热解实验。

The effect of AAEMs on pyrolysis properties

为明确AAEMs对甘氨酸热解特性的影响，本研究探究了不同AAEMs对其失重行为的作用，结果如图3所示。图3a显示甘氨酸热解过程可分为三个阶段：第一阶段（240–300°C）、第二阶段（300–500°C）和第三阶段（＞500°C）。第一阶段被确定为甘氨酸的主要热解 phase，其中脱氨和脱水反应被确认为主导路径；第二阶段涉及中间体的进一步分解；第三阶段则主要表现为碳质残渣的缓慢降解。添加AAEMs后，甘氨酸的峰值热解温度降低了3–13°C，最大热解速率下降了16.3%–23.3%，综合热解特性指数（CPI）降低了22.0%–36.9%，表明AAEMs虽催化低温热解但整体抑制了热解强度。

Conclusion

本研究通过TG-FTIR实验和量子化学计算，探究了AAEMs在甘氨酸热解过程中对HCN和NH₃生成及路径的影响。

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  （1）AAEMs在低温下催化甘氨酸热解，但降低了其峰值速率和CPI。
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  （2）甘氨酸热解释放NH₃和HCN的温度区间分别为240–450°C和234–547°C。AAEMs对NH₃生成的抑制强度顺序为：Na＞Ca＞K＞Mg；对HCN生成的促进强度顺序为：Mg＞Ca＞Na＞K。