气体在纳米孔碳膜内吸附、扩散及分离的分子模拟研究

论文摘要

膜分离过程节能、高效,广泛应用于化工、环保、食品和医药等多个领域,是解决目前人类所面临的能源和环境问题的重要技术。相对有机膜而言,无机膜具有耐高温、高压和化学腐蚀,机械强度大等突出优点。纳米孔碳膜作为无机膜的一种,还具有统一的孔分布,且可受制备条件来控制,因此在气体分离领域具有巨大的应用前景。本文采用分子模拟的手段研究了气体在纳米孔碳膜中吸附、扩散和分离的过程。主要内容如下:1.对目前普遍采用的模拟气体膜分离过程的非平衡态分子动力学方法进行了改进,碳膜采用带有出口和入口的狭缝孔模型来表示,在膜两侧的控制体积与膜之间插入缓冲区来消除膜端口处气体通量的不连续性,从而充分考虑端口效应对气体渗透和分离过程的影响。该方法与此前多采用的流动速度方法相比,从物理上看,显得更加自然和合理。2.H2和CO混合气体工业上称之为合成气（Syngas）,通过分离,H2可以作为理想的清洁能源,而CO则可以用作合成醋酸的原料。更重要的是,合成气通过条件配比,可以有费托合成法制取烷烃、烯烃和醇类等多种化工产品。本文分别采用巨正则Monte Carlo和非平衡态分子动力学对H2/CO在纳米孔碳膜中的平衡吸附分离以及非平衡态扩散分离进行了系统而细致的模拟研究,从模拟得出的微观现象出发,深入地分析了分离的机理,并全面考察了狭缝孔宽、分离温度、分离压力、原料气组成和膜厚度对分离过程的影响。从分子模拟的角度,指出了这一体系适合的分离条件。由平衡吸附分离过程模拟得出,H2/CO在碳膜中吸附分离的最佳狭缝孔宽为0.74 nm。在此孔宽下,碳膜对温度和压力分别为300 K和1.0 MPa的等摩尔混合物的平衡分离因子为6.5,对应H2和CO的吸附量分别为2.0和12.9 mmol/g。低温操作有利于提高H2和CO的吸附量和平衡分离因子;低压操作不利于提高气体的吸附量,但可以提高平衡分离因子:而且,平衡分离因子随原料气中H2的摩尔分率的增加而升高。由非平衡态扩散分离过程模拟得出,狭缝孔宽对气体渗透和分离过程的影响非常显著。分离的机理在孔宽变化的三个阶段各不相同:当孔宽为0.50～0.64 nm时,分离过程为分子筛分主导,H2能透过碳膜,而CO基本不能,0.5MPa和300 K下孔宽为0.64 nm时动力学分离因子达到52.88;当孔宽为0.64～0.84 nm时可以认为是筛分作用与气体的吸附和扩散性质共同作用阶段;而当孔宽为0.84～0.01 nm时,分离过程转而受两种气体的吸附和扩散性质控制,在此孔宽范围内,CO扩散时主要是吸附在碳膜孔壁上,以表面扩散的方式透过碳膜,而H2则主要是从膜孔中心处扩散透过碳膜。分离温度高对H2/CO的非平衡态分离过程有利,适合的分离温度范围为330～353 K。而膜两侧压差对气体的渗透通量以及动力学分离因子的作用相悖,高压有利于提高气体的通量,却降低动力学分离因子。而且,动力学分离因子基本不随原料气体的组成发生变化。H2对CO的动力学分离因子随膜厚度的变化因分离机理的不同而相反。对于由分子筛分作用主导的孔宽为0.64 nm的情况,动力学分离因子随膜厚度的增加而增大;而对于由气体的吸附和扩散性质差异主导的孔宽为1.01 nm的情况,动力学分离因子随膜厚度的增加而减小3.通过模拟H2、CO、N2、O2和CH4五种纯气体在纳米孔碳膜中的扩散过程发现,气体的扩散过程遵从Fick定律,由此出发计算了不同狭缝孔宽和温度下五种气体扩散通量、传递扩散系数和扩散的活化能。所得传递扩散系数与文献报道值相近,考虑到实验方法测定气体在多孔材料内的传递扩散系数通常费用昂贵,且不准确,因此,本文由模拟方法得出的结果可以为多孔材料的设计和应用提供参考。4.考虑到膜的端口效应对气体的非平衡态分离过程影响严重,而实际碳膜往往是由众多石墨晶体团簇集结而成,本文采用不同的模拟盒子对CH4的纳米孔碳膜中扩散过程进行了模拟,研究了不同狭缝孔宽和膜厚度下CH4在碳膜中扩散过程的阻力分布情况。所得结果可以为纳米孔碳膜的设计和制备提高参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 膜技术的特点及广泛应用
• 1.3 气体分离的方法和特点
• 1.4 无机膜气体分离
• 1.4.1 气体在多孔膜中的传递机理
• 1.4.2 无机膜气体分离的实验研究
• 1.4.3 无机膜气体分离的分子模拟研究
• 1.5 本文的研究目的和内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 巨正则系综Monte Carlo方法（GCMC）
• 2.3 分子动力学方法（MD）
• 2.4 非平衡态分子动力学方法（NEMD）
• 2.4.1 基本原理
• 2.4.2 模拟盒子
• 2.4.3 技术细节
• 参考文献
• 2/CO在纳米孔碳膜内的吸附和分离'>第三章 H₂/CO在纳米孔碳膜内的吸附和分离
• 3.1 引言
• 3.2 模拟细节和物理量的统计
• 3.2.1 模拟细节
• 3.2.2 物理量的计算
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 单组分的等温吸附
• 3.3.2 等摩尔混合气体的吸附
• 3.3.3 最佳吸附分离孔宽
• 3.3.4 压力、温度和组成的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 纯气体在碳膜中的扩散
• 4.1 引言
• 4.2 模拟细节与物理量的统计
• 4.2.1 模拟细节
• 4.2.2 物理量的统计
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 通量及密度分布
• 4.3.2 狭缝孔宽对扩散通量的影响
• 4.3.3 传递扩散系数的计算
• 4.3.4 活化能的计算
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 2/CO在纳米孔碳膜中的渗透和分离'>第五章 非平衡态分子动力学模拟H₂/CO在纳米孔碳膜中的渗透和分离
• 5.1 引言
• 5.2 模拟细节与物理量统计
• 5.2.1 模拟细节
• 5.2.2 物理量的统计
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 通量和密度分布
• 5.3.2 狭缝孔宽对渗透和分离过程的影响
• 5.3.3 分离温度的影响
• 5.3.4 膜两侧压差的影响
• 5.3.5 原料气组成的影响
• 5.3.6 膜厚度的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 4在碳膜中扩散的阻力分布'>第六章 CH₄在碳膜中扩散的阻力分布
• 6.1 引言
• 6.2 模拟细节与物理量的统计
• 6.2.1 模拟细节
• 6.2.2 物理量的统计
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 碳膜厚度的影响
• 6.3.2 狭缝孔宽的影响
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 作者简介