溶质分子在多孔材料中的扩散行为及规律的研究

发布时间：2020-03-27 12:26

【摘要】：分子在孔道中的扩散行为会受到孔结构的显著影响,常规多孔材料结构复杂,给分子孔内扩散行为的研究带来了一定的难度。本文提出,可将粒径均一的单分散SiO_2微球组装成毫米大小的SiO_2颗粒,该颗粒孔径、孔容固定,孔道曲折因子可求,颗粒内部无堵孔和死孔现象,利用其均一的孔道结构研究石油中重要组分——二苯并噻吩(BDT)在其中的扩散行为。具体研究内容与研究方法如下:首先,为探究单分散SiO_2微球的组装条件,在不同溶剂中组装粒径为30 nm,50 nm,194 nm和300 nm的单分散SiO_2微球,在正辛醇中得到了空心SiO_2胶体晶体微球,在二甲基硅油和蓖麻油中得到实心SiO_2胶体晶体微球。上述胶体晶体微球的粒径大小均在微米级别,微球的形貌结构不随单分散SiO_2微球悬浮液浓度,悬浮液与溶剂质量比和单分散SiO_2微球粒径的改变而改变,但二甲基硅油会堵塞胶体晶体微球的孔道。其次,为得到可用作模型多孔材料的SiO_2颗粒,需合成孔道贯通的毫米级实心SiO_2颗粒,故,以上步实验为基础,在蓖麻油中组装单分散SiO_2微球,得到毫米级SiO_2颗粒,具体实验步骤如下:取单分散SiO_2微球(粒径分别30 nm、50 nm、90 nm、300 nm)悬浮液注射到装满蓖麻油的试管中,将试管横向插入电动机转头,不停旋转试管,同时用水蒸汽加热试管;一小时后,将试管中液体全部转移至聚四氟乙烯(PTFE)培养皿中进一步移除悬浮液液滴中的水分,形成毫米大小的SiO_2颗粒,且该颗粒内部结构规整,孔道均一贯通。再次,以1,3,5-三甲苯和正辛烷和2,6-二甲基吡啶的混合溶液为溶剂,以模型化合物二苯并噻吩做溶质,采用吸附-扩散法,研究二苯并噻吩在SiO_2模型多孔材料中的扩散行为及规律,并得到二苯并噻吩的有效孔道扩散系数D_p,本征表面扩散系数D_s~*,本征孔道扩散系数D_i,以及受限因子F(λ)的准确数值。最后,基于已确定的本征孔道扩散系数D_i和本征表面扩散系数D_s~*,计算出二苯并噻吩沿SiO_2多孔材料表面扩散的分子的量占总分子扩散量的比(RTS)的值,发现随着多孔材料孔径的减小,RTS显著增加。
【图文】：

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图 2.1 微米级 SiO2胶体晶体微球在不同溶剂中的制备示意图Fig. 2.1 Schematic of the preparation of silica colloidal crystal microspheres in differentsolvents2.2.4 SiO2模型多孔材料的制备毫米级SiO2颗粒作为该实验的模型多孔材料，是由单分散SiO2微球组装而成其组装方法如图 2.2 所示。用注射器取0.04 mL浓度为40 wt%的单分散SiO2微球（粒径分别30 nm、50 n90 nm、300 nm）悬浮液，注射到装满蓖麻油的试管中，横向放置试管，并插入电动机转头，不停旋转试管，确保 SiO2悬浮液液滴不会接触到试管管壁，同时，在试管下方放置恒温水浴槽，用沸水的蒸汽加热试管。一小时后，取下试管，将蓖麻油全部转移至聚四氟乙烯（PTFE）培养皿，并将 PTFE 培养皿放置在 120℃烘箱中 2 h，进一步移除悬浮液液滴中的水分，形成毫米大小的 SiO2颗粒。最后，从蓖麻油中取出颗粒，在 700℃马弗炉中焙烧 4 h，进一步增加 SiO2颗粒的强度。将 SiO模型多孔材料命名为 SD-n，其中 n 表示组装 SiO颗粒的单分散微球

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图 2.2 SiO2模型多孔材料的制备示意图Fig. 2.2 Schematic diagram for preparation of model porous materials2.2.5 样品表征a）扫描电子显微镜（SEM）表征采用冷场发射环境扫描电子显微镜（SU8010）表征组装后微球的表面形貌结构。微米级 SiO2胶体晶体微球呈悬浮液状态，需在导电胶表面粘贴硅片，用注射器将悬浮液注射到硅片上，而对毫米大小的 SiO2模型多孔材料，可将其破碎部分直接贴在样品台导电胶表面上。制样后用离子溅射仪处理样品 30 s，，在样品表面沉积导电金膜后用 SEM 观察样品表面形貌。b）含碳量的测定采用型号为 HIR-944B 的高频红外碳硫仪分别测定在二甲基硅油和蓖麻油中组装的微米级 SiO2胶体晶体微球的含碳量。将样品干燥后放入充满氧气的高频燃烧炉中，样品中的碳元素在燃烧炉中受热氧化燃烧，转化为 CO2，CO2在载气（氧
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.4

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