氣體在多孔納米材料中的吸附與分離的分子模擬研究.pdf

1、隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益突出。傳統(tǒng)能源（如煤、石油）的燃燒和使用常常會排放大量的SO2、CO2等有害氣體，對人類和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。而且二氧化碳的過量排放還會引起溫室效應(yīng)等問題，因此減少SO2和CO2等氣體的排放是當(dāng)前亟待解決的問題。另外，化石燃料的短缺及其大量燃燒帶來的環(huán)境污染，激發(fā)了人們積極開發(fā)新的能源，其中H2和CH4是人們廣泛研究的清潔能源。如何通過簡單的方法獲得純凈的H2和CH4也是重要的課題。隨著人們對能

2、源需求的增加，頁巖油等非常規(guī)資源也逐步進(jìn)入人們的視野，理解地質(zhì)條件下頁巖油的吸附擴(kuò)散對于有效的開采具有重要意義。本論文采用分子模擬方法研究了多種氣體在新型多孔納米材料中的吸附與分離，旨在為實驗提供微觀機(jī)理及實際的指導(dǎo)。本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.采用巨正則蒙特卡羅(GCMC)模擬方法系統(tǒng)地研究了多孔共價有機(jī)材料(COMs)對H2S和SO2的吸附與分離能力。發(fā)現(xiàn)PAF-302對H2S和SO2的吸附量最大，最大超額吸附量分

3、別達(dá)到了51.94 mmol/g和50.69 mmol/g，遠(yuǎn)高于其他材料，原因是PAF-302的BET比表面積和孔體積都很大。COMs材料對H2S和SO2的最大超額吸附量的大小順序為PAF-302＞COF-102＞COF-10＞COF-5＞COF-8＞COF-6，這與材料孔體積的大小順序是一致的。對于氣體混合物，我們發(fā)現(xiàn)二維COMs材料的吸附選擇性明顯高于三維COMs材料，尤其是COF-6由于具有較小孔徑，對于硫化物的氣體混合物的選擇

4、性明顯高于其他材料。簡言之，該研究表明PAF-302是優(yōu)秀的存儲H2S和SO2的材料，COF-6是良好的分離含硫氣體混合物的材料。
　　2.采用GCMC模擬298 K氙氣在MOFs和COMs材料中的吸附與分離。發(fā)現(xiàn)PAF-302具有最大的的超額重量吸附量（4009 mg/g）和最大的超額體積吸附量(216 V(STP)/V)，說明PAF-302是中壓下存儲Xe的良好材料。Xe在中壓下的吸附量的大小順序為PAF-302＞UMCM-1

5、＞IRMOF-1＞Cu-BTC＞COP-4＞ZIF-8，這與可接觸表面積的大小順序完全一致，而且Xe在不同材料中的最大超額吸附量與材料的可接觸表面積成線性關(guān)系。各材料對Xe/N2的選擇性的大小順序為Cu-BTC＞ZIF-8＞COP-4＞IRMOF-1＞UMCM-1＞PAF-302，這與吸附熱的差值(DIH)的大小順序是一致的。Cu-BTC對Xe/N2的選擇性達(dá)到80，說明它是具有潛力的分離Xe/N2的材料。
　　3.采用分子動力學(xué)

6、模擬方法系統(tǒng)地研究了四種類金剛石材料對CO2/H2，CO2/N2，CO2/CH4，CH4/H2混合物的膜分離能力。結(jié)果表明金剛?cè)灿捎诰哂休^小的孔徑，對CO2/H2，CO2/N2，CO2/CH4和CH4/H2的混合物具有非常大的膜選擇性，遠(yuǎn)大于其他MOFs和COFs材料。綜合考慮滲透選擇性和滲透性，TND-2和金剛?cè)彩橇己玫姆蛛xCO2/H2和CO2/N2的材料。對于CO2/N2，金剛?cè)埠蚑ND-2超過了Robeson上限。同時TND-2也

7、適合CH4/H2的分離。對于CO2/CH4的分離，金剛?cè)驳奈竭x擇性和擴(kuò)散選擇性都傾向于CO2，且金剛?cè)渤^了Robeson上限，表明金剛?cè)部赡苁橇己玫姆蛛xCO2/CH4的材料。
　　4.基于吸附熱差(DIH)開發(fā)了一個計算納米多孔材料對混合氣體吸附選擇性的方程S(DIH)。在該方程中，只需要分別測量多孔材料對兩種組分的吸附量和零壓下的吸附熱就能計算出選擇性。通過與GCMC的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該方程很好的預(yù)測各類多孔材料(MOFs

8、，COMs等)在p=0-1 bar時對CH4與CO2混合物分離的選擇性。因此，新的S(DIH)方程可以作為一個有效的工具來預(yù)測低壓下多孔材料對CO2與CH4的分離，尤其是對于實驗研究人員，只需要分別測量多孔材料對兩種組分（比如CO2，CH4，N2）的吸附量和零壓下的吸附熱就能計算出選擇性。簡單來說，新的S(DIH)可以作為一個有效的工具來篩選多孔材料用于氣體混合物分離。
　　5.采用分子動力學(xué)方法研究了頁巖油在富含黏土礦物的頁巖中