烷烴混合物在金屬有機骨架化合物中吸附分離行為研究.pdf

1、近年來金屬有機骨架化合物(Metal-Organic Frameworks,MOFs)作為一種新型功能性材料成為各國研究者關(guān)注的熱點。MOFs由于具有結(jié)構(gòu)組成多樣性、較大比表面積和孔隙率、可調(diào)控性等特點,廣泛應(yīng)用于氣體儲存、吸附分離、催化等領(lǐng)域,在這些諸多應(yīng)用中,大都與其吸附行為有關(guān)。天然氣和石油產(chǎn)品的分離、純化和加工等問題使得烷烴在納米微孔材料中吸附的研究日益重要,因此清楚地了解烷烴混合物在納米微孔材料中的吸附行為進而探討其吸附機理具

2、有重要的理論意義和應(yīng)用價值。但由于傳統(tǒng)實驗條件的限制,對混合物在納米微孔材料中吸附的研究存在較大的困難。而分子模擬作為與實驗和理論并重的另外一種研究手段為我們提供了一種相對成本低、效率高的手段,因此采用分子模擬的方法研究納米微孔材料的吸附具有重要的意義。 本論文采用巨正則蒙特卡羅(grand canonical Monte Carlo,GCMC)和構(gòu)型導(dǎo)向蒙特卡羅(configurational-bias Monte Carlo

3、,CBMC)相結(jié)合的方法研究了烷烴混合物在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MOFs:Cu-BTC、MIL-53(A1)和IRMOF-9中的吸附行為,并根據(jù)實驗室發(fā)展的“材料剖面成像”方法(Computer Tomography formaterials,mCT)研究吸附質(zhì)分子在MOFs中的吸附位點。本論文的主要研究結(jié)果如下： 1.模擬了298K下甲烷-乙烷-丙烷體系和正丁烷-異丁烷體系在Cu-BTC中的吸附。Cu-BTC優(yōu)先吸附較長鏈分子,對較長鏈

4、分子的相對選擇性隨著短鏈烷烴在氣相中含量的增加而增強。Cu-BTC優(yōu)先吸附支鏈烷烴,對支鏈烷烴的相對選擇性隨著直鏈烷烴氣相含量的增加而增強。通過吸附位點的分析可得出,吸附過程中主要存在著能量效應(yīng)與尺寸效應(yīng)的競爭。在甲烷-乙烷-丙烷體系中,對甲烷和乙烷,能量效應(yīng)起主導(dǎo)作用,從而使乙烷被吸附在四面體孔內(nèi),而甲烷被擠到三角形孔窗外。丙烷則由于尺寸效應(yīng)的影響被完全吸附在主孔道中。對正丁烷-異丁烷體系,能量效應(yīng)起主要作用,使得異丁烷被優(yōu)先吸附在四

5、面體孔內(nèi),而正丁烷則主要是被吸附在主孔道中。 2.模擬了298K下甲烷-乙烷-丙烷體系在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MOFs-MIL-53(Al)和IRMOF-9中的吸附。MIL-53(Al)和IRMOF-9均優(yōu)先吸附較長鏈分子,并且這兩種MOFs對較長鏈分子的相對選擇性隨著短鏈組分氣相含量的增加而增強。但IRMOF-9的吸附量遠大于MIL-53(Al),并且吸附選擇性也稍好于后者。通過分析吸附位點可發(fā)現(xiàn),乙烷和丙烷被優(yōu)先吸附在MIL-53(Al)結(jié)構(gòu)