利用分子动力学模拟研究有毒气体在纳米孔径材料中的扩散性能

发布时间：2020-07-01 07:54

【摘要】：近年随着尾气排放量和化石燃料燃烧量的增加,大气污染日趋严重。最常见的大气污染物有SO_2、H_2S、NO_2和NO等,其对人体健康和环境造成了严重的危害。吸附分离方法可以有效的治理有毒气体污染。其中气体在吸附剂中的扩散速率制约着吸附剂的利用效率。因此,本文选择这四种有毒气体作为研究对象,利用分子动力学模拟考察不同浓度条件下四种纯有毒气体在纳米孔径材料中的自扩散速率,并分析气体自扩散速率与材料结构之间的关系。研究结果表明NO和NO_2气体在IRMOF系列材料、具有开放金属位点的MOFs材料、ZIF系列材料和沸石材料中其自扩散系数随着气体浓度增加先升高后降低;NO和NO_2气体在MIL系列材料中自扩散系数随着气体浓度增加而降低;SO_2和H_2S在MOFs、COFs和沸石材料中其自扩散系数随着气体浓度增加先升高后降低。氮氧化物和硫化物的扩散性能主要受到材料最小孔径(PLD)和孔隙率(VF)影响,在同系列材料中PLD和VF越大SO_2、H_2S、NO和NO_2气体的自扩散系数越大。通过对自扩散系数的结果分析,筛选出自扩散系数较大的纳米孔径材料,如在IRMOF-9、MgMOF-74、MIL-47、MIL-53Crht、AFY、GME和LTA等材料中NO_2气体具有较好扩散性能,其自扩散系数在0.6~37×10~(-9) m~2·s~(-1)范围内;在IRMOF-15、MOF-205、NU-108-Zn、COF-103、RWY和JSR材料中SO_2气体具有较好扩散性能,其自扩散系数在0.1~17×10~(-9) m~2·s~(-1)范围内。通过气体分子在材料中的径向函数分布图、模拟轨迹等探讨了气体在纳米孔径材料中的扩散机理。研究发现纳米孔径材料金属簇吸附性能的强弱影响气体随浓度变化的自扩散系数曲线。同时本文研究了无限稀释条件下SO_2、H_2S、NO_2和NO气体在纳米孔径材料中的自扩散系数,从而获得它们在MOFs材料中的活化能。此外,本文还研究了在MOFs材料中H_2S/O_2/N_2和SO_2/O_2/N_2混合气体随N_2浓度增加的自扩散性能。研究结果表明在H_2S/O_2/N_2混合气体中H_2S的扩散速率明显小于N_2和O_2气体的扩散速率;在UiO-66材料中H_2S的扩散系数最大,在0.25~0.32×10~(-9) m~2·s~(-1)范围内,且N_2浓度增加有益于H_2S的扩散;在SO_2/O_2/N_2混合气体中SO_2的扩散速率小于N_2和O_2气体的扩散速率,但在MIL-100材料中SO_2的自扩散系数逐渐增大然后大于N_2的扩散速率;在Zn-DOBDC、ZnBDC材料中SO_2的扩散系数较大,在1.69~2.58×10~(-9) m~2·s~(-1)范围内,且N_2浓度的改变对SO_2的扩散系数影响较小。H_2S/O_2/N_2和SO_2/O_2/N_2混合气体在MOFs材料中的扩散受到材料的PLD影响,PLD过小,导致混合气体在COF-1、ZIF-20、ZIF-7、ZIF-9材料中的扩散速率接近于零。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647.33;TB383.1;X701
【图文】：

]。1962 年，Weisz 和 Frilette 发现了钠、钙 X 型沸石子择形反应[44]，继而发现沸石对催化裂化反应的惊在催化领域的应用迅速扩大。是由 TO4四面体组成的结晶型硅铝酸盐，其中 T 原子l，或在某些情况下也可为 P。这些四面体可以形成不 6 环、8 环或 12 环，产生相当复杂但精确的网络结道连接的规则空腔，其中可容纳适当大小的客体分子孔结构、高的催化活性和热稳定性及耐酸性等特点，学和化学工业中的分子筛和催化剂。沸石材料根据孔道结构和笼状结构，当 Dif/ Df< 1.5 时为孔道结构，状结构[45]。其中 Dif为最大孔径，Df为最小孔径，

8图 1-2 分子动力学模拟流程示意图Fig.1-2 Molecular dynamics simulation flow chart1.4.2 GROMACS 程序简介GROMACS 程序由瑞典皇家理工学院和乌普萨拉大学共同开发，是一个用于分子动力学模拟和能量最小化的计算引擎程序，主要用于生物体系，也可用于一般化学体系。GROMACS 在模拟大量分子系统的牛顿运动方面具有极大的优势，而且计算效率高，因此本文选择的是 2014年 8 月推出的 4.6.7 版的 GROMACS 软件。GROMACS 程序一般的模拟过程可以分成以下三个阶段：（1）前处理过程：生成模拟体系的坐标文件（xxx.gro 或 xxx.g96）、拓扑结构文件（xxx.top、types.itp 或 xxx.itp），

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本文编号：2736493