多孔纳米材料吸附分离惰性气体的分子模拟

发布时间：2020-08-02 10:10

【摘要】：随着化工工业的不断发展环境问题变得日益严峻,每天产生大量具有放射性的惰性气体,存在于建筑材料中的氡已经成为了室内空气中的一个重要的污染物,如果不经过处理会对环境造成巨大的污染,严重危害人们的身体健康。然而惰性气体具有很多的工业应用尤其是高纯度的惰性气体,在化工工业、医学、尖端科学领域以及日常生活中都具有重要应用,例如,高纯度Xe非常昂贵,超过了$5,000 kg-1,很多研究者致力于寻找一种低成本技术从惰性气体混合物中吸附收集Xe。然而目前分离惰性气体常用的方法以及吸附材料都存在很大的不足,不能够满足高效吸附分离特定气体的效果,而且在实验室中关于放射性气体Rn的吸附实验也受到了实际实验条件的局限。在本文中我们主要预测的是多孔纳米材料对惰性气体的吸附分离能力,从而指导此类实验的实施,以及为工业应用提供一个初步的指引。第一个工作是,利用蒙特卡罗(GCMC)计算方法分别计算了气体Xe在单一狭缝孔中的吸附等温线,结合积分吸附方程从理论上表征出实验中已经合成的氮掺杂多孔碳材料(Carbon-ZX)的孔径分布。然后利用巨正则系综GCMC模拟方法预测该材料对纯组分气体Ar、Kr、Xe和Rn的吸附等温线,同时计算它们各自的亨利常数及吸附热数值,发现都满足RnXeKrAr的顺序,说明Carbon-ZX与气体Rn和气体Xe之间有很强的范德华作用力,表现出很大的吸附潜能。随后我们预测了Carbon-ZX对混合气体Xe/Kr、Xe/Ar和Rn/N2的吸附和分离能力。结果表明,在相同的条件下,Carbon-ZX对于混合气体Xe/Kr、Xe/Ar的选择性明显高于其它的MOFs材料,也进一步确认了亨利常数和吸附热的准确性。我们计算Rn/N2的混合物时研究了 7种不同Rn的摩尔含量的Rn/N2混合气体。通过观察Rn的摩尔浓度与选择性的关系发现它们之间呈现倒U型曲线关系,而且当Rn的摩尔浓度小于0.001时,Carbon-ZX对气体Rn表现出了很高的选择性数值可达到900～1200。本项工作成功地做到通过模拟的手段再现出实验中合成的纳米材料,并且对其进行惰性气体的吸附分离能力预测,发现该材料是在吸附分离Xe/Kr和Xe/Ar混合气体中气体Xe以及Rn/N2混合气体中气体Rn都具有很大的潜能。第二个工作也是在巨正则系综中,利用蒙特卡洛分子模拟方法预测在常温常压下,模拟23种不同类型的多孔金属骨架材料(MOFs)对Rn/N2和Rn/O2两种混合气体中气体Rn的吸附分离能力,通过分析比较气体Rn的选择性计算结果,筛选出4种表现优异的材料ZIF-12、HKUST-1、IRMOF-62和ZIF-11。然后利用这四种MOFs材料对不同摩尔浓度Rn的Rn/N2和Rn/02混合气体做进一步的吸附计算。发现当混合气体中Rn的摩尔浓度较低时,这四种MOFs对气体Rn表现出较高的选择性,说明这几种材料对于捕集低浓度的气体Rn具备很大的潜能,尤其是材料ZIF-12。当气体Rn的摩尔浓度为0.0001时,对于Rn/N2和Rn/O2混合气体中Rn的选择性分别为～2800和～1750。我们可以看到,材料ZIF-12对于气体Rn的分离能力远远高于其他三种材料,说明该材料是一种对于净化室内空气中监测室内放射性气体Rn非常具备潜力的材料。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TQ424
【图文】：

结构图,金刚,结构图

发现了新的类金刚石材料：金刚块［１１］、ＴＮＤ－１、ＴＮＤ－２［１２］。金刚炔同样是以金刚石材逡逑料为基础，将其中的碳－碳单键替换为三键，而对于材料ＴＮＤ－１和ＴＮＤ－２则是分别将逡逑金刚炔和金刚石节点的碳原子替换为炔键的四面体。通过图１－４可以看到这几种材料逡逑的构型图。这几种材料对于气体Ｃ０２和ＣＨ４都具有很强的吸附能力，同时具备很高的逡逑选择性。逡逑—}r逡逑■逦＼逦Ｉ逦ｉＤｉｍｘｍｔｄｙｉｍ逡逑图１－４邋ＰＡＦ－１、金刚炔、ＴＮＤ－１和ＴＮＤ－２的结构图逡逑Ｆｉｇ．１－４邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｂｏｕｔ邋ＰＡＦ－１，邋ｄｉａｍｏｎｄｙｎｅ，邋ＴＮＤ－１邋ａｎｄ邋ＴＮＤ－２逡逑１．３惰性气体的吸附方法逡逑由于惰性气体本身具有的特殊性质，使其很难通过化学方法进行吸附及存储，目逡逑前，较多利用物理方法进行吸附分离。目前分离惰性气体混合气体的常见方法主要有：逡逑低温分馏法、溶剂吸附法、固体吸附法、膜分离法，其中固体分离法应用最为广泛，逡逑常用的固体吸附材料为：活性炭、沸石、金属有机骨架材料等。逡逑６逡逑

多尺度模拟,分子动力学模拟,流程图,方法

根据公式我们可以看出，第／个粒子所受的合力＾可以通过求解ｆ／（ｒｐ得到。逡逑分子动力学最初只是用于理论物理学的研宄，而现在以及广泛的应用于物理化学、逡逑生物科学以及材料科学等多个领域。ＭＤ模拟的步骤可以简化为图２－１，首先是读入逡逑参数，对模型进行初始化，确定初始位置和初始速度，计算粒子间的作用力，求解牛逡逑顿运动方程，进行原子的移动，如此往复，最终系统达到平衡。逡逑１６逡逑

分布图,狭缝孔模型,石墨,类型

逦第三章石墨烯拟合实验材料吸附分离惰性气体分布对比可以从表３－１看出。从图３－１邋（ｂ）可以看出，氮原子取代石墨烯板上的碳子并随机的分布于石墨烯板上，处于不同位置的氮原子类型也是不一样的：（１）吡氮，（２）石墨氮，（３）吡嗪氮。由于在模拟过程中原子被冻结在晶胞内，因此原型明确地描述并被视为一个刚性结构。逡逑ｂ

【参考文献】