锂电池组中环氧树脂和偏聚氟乙烯超临界水气化机理研究

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随着电子产品的普及,废弃锂离子电池数量也愈发庞大。废弃锂离子电池具有很高的回收价值,但若处理不当也将带来重大的环境污染问题。传统的废弃锂电池组回收方法在不同程度上具有回收效率低、不经济、易带来二次污染等问题。近年来,超临界水回收技术被认为是一种处置电子废弃物的良好方法,具有绿色高效的优点。本文以国家自然科学基金项目[52076071]“超临界水中废旧锂电子正极金属材料溶解特性及其热-反应协同优化研究”为依托,以废弃锂电池组中环氧树脂和偏聚氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)为研究对象,结合分子动力学中的反应力场(Reaction force field,Reaxff)、量化计算、超临界水气化实验方法,考察了关键反应参数对超临界水气化过程的影响规律,分析了环氧树脂和PVDF在超临界水中的反应机理,展示了超临界水降解电子废弃物中高聚物并将其气化为可燃气体的良好应用前景。本文的主要研究工作与创新点如下:(1)实验研究了温度、反应时间、浓度等操作参数对于环氧树脂超临界水气化特性的影响规律。结果表明,高温条件能够加快反应速率有利于环氧树脂的完全气化制氢,并促使反应平衡朝制氢方向移动。在高浓度条件下,水分子数量减少导致水参与气化反应的概率降低,使得H2生成量减少。随着反应时间的延长,环氧树脂超临界水气化率逐渐增大,但气化效率增加的幅度显著降低。(2)构建了超临界水气化环氧树脂的分子动力学计算模型,通过模拟与实验结果的对比验证了分子动力学计算模型的可靠性。采用Reaxff力场研究了温度、反应时间、浓度、体系规模等操作参数对超临界水气化过程的影响机理,对比了超临界水气化、热解、蒸汽气化环氧树脂的反应结果。量子化学中的密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计算结果表明,超临界水环境降低了环氧树脂的化学键断裂能,揭示了环氧树脂在超临界水中开环降解和气化制氢机理。(3)构建了超临界水气化及氧化PVDF的分子动力学计算模型,研究获得了温度、反应时间、物料浓度以及氧化剂当量等因素对气化特性的影响规律。研究结果表明,模拟与实验结果变化趋势高度一致,验证了分子动力学模拟PVDF等含氟化合物的超临界水气化过程的可行性。同时,采用反应过程的可视化以及原子追踪方法,揭示了超临界水氧化条件下重要自由基HO2的生成消耗机理,阐明了反应物所含F元素在超临界水气化过程中的迁移路径。
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