MOFs对含低浓度瓦斯气体选择性吸附分离的分子模拟研究

发布时间：2017-09-21 19:29

  本文关键词：MOFs对含低浓度瓦斯气体选择性吸附分离的分子模拟研究

  更多相关文章： 低浓度瓦斯 金属有机骨架 理想吸附溶液理论 分子模拟 吸附分离

【摘要】：煤矿低浓度瓦斯(Coal Mine Methane,CMM)的浓缩富集是一个具有挑战性的课题,吸附分离技术具有投资少、操作方便、能耗低等优点,其应用的关键在于吸附剂。金属有机骨架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)以其丰富的结构类型和吸附解吸特性可能成为未来吸附领域的最佳选择。目前关于MOFs吸附分离CH4/N2混合气体的性能研究,尤其是分离瓦斯气体方面的信息远远不足。本论文基于分子模拟方法、动力学模拟方法和理想吸附溶液理论方法(IAST),结合煤矿瓦斯中CH4含量较低的特点,对MOFs中低浓度瓦斯的CH4浓缩富集进行了研究,探索了瓦斯气体在MOFs材料中的吸附、扩散和分离机理。研究取得如下结果:(1)揭示了CH4和N2在不同MOFs中的吸附规律,即低压下气体分子优先吸附在小孔径的孔笼孔道中心及强吸附位附近,中等压力下吸附量与比表面积呈线性关系,高压下比表面积和孔容共同影响吸附量,吸附区域不断扩大,吸附主要发生在大孔径的孔道中心。(2)通过研究等摩尔CH4/N2混合气体在MOFs材料中的吸附与扩散规律。指出IAST方法可以精确预测CH4/N2在MOFs中的吸附行为。相比传统材料,MOFs对CH4/N2混合气体表现出更好的分离能力。尤其是ZIF-7的CH4/N2选择性最为突出,主要原因是ZIF-7中的孔径尺寸大小与气体分子大小相当,而孔径大小对分离起主要作用。(3)研究发现,吸附选择性与吸附度(DAD)的倒数1/DAD有较强的相关关系,即两种吸附组分在材料内部的吸附热之差越大、材料的孔隙度越小,其吸附度DAD则越大,指出DAD可以作为初步筛选用于分离CH4/N2混合物的MOFs材料的标准。(4)在模拟实际条件下(298 K和1000 kPa),ZIF-68膜可高效分离CH4/N2混合物,CH4/N2在ZIF-68中的吸附选择性adsorpS、扩散选择性diffS和渗透选择性permS分别为3.96,6.07和24.01;研究发现了吸附选择性与MOFs材料的比表面积、孔径、孔容结构之间的定量关系,其最佳分离选择性的MOFs结构性质为:比表面积61~1000 m2/g,孔径0.25~0.5nm,孔容0.1~0.5 cm3/g。(5)研究了温度(273 K、298 K和323 K)、水分含量(1%H2O和5%H2O)及CO2对CH4/N2分离的影响。结果表明,MOFs对CH4/N2的选择性随着温度升高而减小;水分含量的增加可使CH4/N2选择性减小:水分子与CH4发生竞争吸附,导致CH4吸附量的减少,同时水分子为N2提供额外的吸附位,导致N2吸附量的增加;CO2对CH4/N2选择性的影响有三种情况:在大多数MOFs中,CO2几乎不影响CH4/N2的选择性;在Cu-BTC、PCN-26和MIL-47中,随着压力升高,CH4对N2的选择性影响开始显著;CO2的存在提高了Pd(2-pymo)2和ZIF-68对CH4/N2混合物的分离性能。(6)探索了ZIF-68材料对抽采瓦斯和通风瓦斯的吸附分离规律。结果表明,CH4对N2和O2的选择性随着压力升高而增大;温度和压力分别为298 K和8000 kPa时,通风瓦斯中CH4/N2与CH4/O2的吸附选择性分别达到16.48和15.37。研究发现ZIF-68材料具有较高的CH4/N2选择性,可以有效地从CMM中分离CH4,是一种具有分离潜力的吸附剂;发现了新的吸附位IV,即位于HPR孔笼的中心,吸附位IV有利于提高材料对CH4的吸附选择性,由苯环组成的孔道对CH4具有很强的亲和力,并提供更多的吸附位。同时表明IAST可以预测瓦斯气体在ZIF-68中的吸附平衡。本文对瓦斯气体在MOFs中的吸附分离规律进行了研究,可为MOFs材料吸附分离的实验研究甚至是工业化应用提供理论依据。另外相关研究成果发表一篇SCI论文。
【关键词】：低浓度瓦斯 金属有机骨架 理想吸附溶液理论 分子模拟 吸附分离
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 变量注释表20-22
• 1 绪论22-40
• 1.1 研究背景及意义22-23
• 1.2 煤矿瓦斯抽采与利用现状23-25
• 1.3 CH_4/N_2分离技术25-29
• 1.4 金属有机骨架简介29-33
• 1.5 分子模拟33-36
• 1.6 多组分气体吸附的理想吸附溶液理论36-37
• 1.7 存在的主要问题37-38
• 1.8 研究内容及方法38-40
• 2 MOFs材料中CH_4与N_2吸附的分子模拟研究40-56
• 2.1 引言40-41
• 2.2 计算模型和方法41-46
• 2.3 结果与讨论46-55
• 2.4 本章小结55-56
• 3 MOFs材料中CH_4/N_2吸附与扩散分离的分子模拟研究56-70
• 3.1 引言56-57
• 3.2 计算模型和方法57-58
• 3.3 结果与讨论58-68
• 3.4 本章小结68-70
• 4 CH_4/N_2混合气体中MOFs吸附甲烷的影响因素研究70-82
• 4.1 引言70
• 4.2 计算模型和方法70-73
• 4.3 结果与讨论73-80
• 4.4 本章小结80-82
• 5 ZIF-68吸附分离低浓度瓦斯的分子模拟研究82-94
• 5.1 引言82
• 5.2 计算模型和方法82-84
• 5.3 结果与讨论84-93
• 5.4 本章小结93-94
• 6 结论与展望94-97
• 6.1 主要结论94-95
• 6.2 创新点95-96
• 6.3 研究展望96-97
• 参考文献97-108
• 附录 1108-110
• 附录 2110-116
• 附录 3116-120
• 作者简历120-123
• 学位论文数据集123

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本文编号：896436