气体在多孔纳米材料中的吸附与分离的分子模拟研究

发布时间：2018-11-17 19:00

【摘要】：随着工业化的快速发展,能源与环境问题日益突出。传统能源(如煤、石油)的燃烧和使用常常会排放大量的SO2、CO2等有害气体,对人类和生态环境造成严重损害。而且二氧化碳的过量排放还会引起温室效应等问题,因此减少SO2和CO2等气体的排放是当前亟待解决的问题。另外,化石燃料的短缺及其大量燃烧带来的环境污染,激发了人们积极开发新的能源,其中H2和CH4是人们广泛研究的清洁能源。如何通过简单的方法获得纯净的H：和CH4也是重要的课题。随着人们对能源需求的增加,页岩油等非常规资源也逐步进入人们的视野,理解地质条件下页岩油的吸附扩散对于有效的开采具有重要意义。本论文采用分子模拟方法研究了多种气体在新型多孔纳米材料中的吸附与分离,旨在为实验提供微观机理及实际的指导。本论文的主要内容和创新点如下：1.采用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法系统地研究了多孔共价有机材料(COMs)对H2S和S02的吸附与分离能力。发现PAF-302对H2S和S02的吸附量最大,最大超额吸附量分别达到了51.94 mmol/g和50.69 mmol/g,远高于其他材料,原因是PAF-302的BET比表面积和孔体积都很大。COMs材料对H2S和S02的最大超额吸附量的大小顺序为PAF-302 COF-102 COF-10 COF-5 COF-8 COF-6,这与材料孔体积的大小顺序是一致的。对于气体混合物,我们发现二维COMs材料的吸附选择性明显高于三维COMs材料,尤其是COF-6由于具有较小孔径,对于硫化物的气体混合物的选择性明显高于其他材料。简言之,该研究表明PAF-302是优秀的存储H2S和S02的材料,COF-6是良好的分离含硫气体混合物的材料。2.采用GCMC模拟298 K氙气在MOFs和COMs材料中的吸附与分离。发现PAF-302具有最大的的超额重量吸附量(4009mg/g)和最大的超额体积吸附量(216 V(STP)/V),说明PAF-302是中压下存储Xe的良好材料。Xe在中压下的吸附量的大小顺序为PAF-302UMCM-1IRMOF-1 Cu-BTCCOP-4 ZIF-8,这与可接触表面积的大小顺序完全一致,而且Xe在不同材料中的最大超额吸附量与材料的可接触表面积成线性关系。各材料对Xe/N2的选择性的大小顺序为Cu-BTC ZIF-8 COP-4 IRMOF-1 UMCM-1 PAF-302,这与吸附热的差值(DIH)的大小顺序是一致的。Cu-BTC对Xe/N2的选择性达到80,说明它是具有潜力的分离Xe/N2的材料。3.采用分子动力学模拟方法系统地研究了四种类金刚石材料对CO2/H2, CO2/N2, CO2/CH4,CH4/H2混合物的膜分离能力。结果表明金刚炔由于具有较小的孔径,对CO2/H2, CO2/N2, CO2/CH4和CH4/H2的混合物具有非常大的膜选择性,远大于其他MOFs和COFs材料。综合考虑渗透选择性和渗透性,TND-2和金刚炔是良好的分离C02/H2和C02/N2的材料。对于C02/N2,金刚炔和TND-2超过了Robeson上限。同时TND-2也适合CH4/H2的分离。对于CO2/CH4的分离,金刚炔的吸附选择性和扩散选择性都倾向于C02,且金刚炔超过了Robeson上限,表明金刚炔可能是良好的分离CO2/CH4的材料。4.基于吸附热差(DIH)开发了一个计算纳米多孔材料对混合气体吸附选择性的方程S(DIH)。在该方程中,只需要分别测量多孔材料对两种组分的吸附量和零压下的吸附热就能计算出选择性。通过与GCMC的数据进行比较,发现该方程很好的预测各类多孔材料(MOFs, COMs等)在p=0-1 bar时对CH4与CO2混合物分离的选择性。因此,新的S(DIH)方程可以作为一个有效的工具来预测低压下多孔材料对CO2与CH4的分离,尤其是对于实验研究人员,只需要分别测量多孔材料对两种组分(比如CO2, CH4, N2)的吸附量和零压下的吸附热就能计算出选择性。简单来说,新的S(DIH)可以作为一个有效的工具来筛选多孔材料用于气体混合物分离。5.采用分子动力学方法研究了页岩油在富含黏土矿物的页岩中的扩散性质。我们采用蒙脱石作为页岩的模型,辛烷作为页岩油的模型,发现在层间距为2.8 nm时,页岩油的自扩散系数极低,随着层间距的增加,辛烷的自扩散系数可增加几个数量级。这表明当页岩油从微孔流向介孔时,伴随着密度下降,自扩散系数会增加,非常有利于页岩油气的开采。然而微孔中的页岩油是很难开采的。通过研究碳链长度对扩散的影响,发现短链的油分子有利于开采。希望这些模拟结果可以为开发页岩油提供有用的指导和重要的机理研究。
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【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ028

【参考文献】