氣體在納米孔碳膜吸附、擴散及分離的分子模擬研究.pdf

1、膜分離過程節(jié)能、高效，廣泛應用于化工、環(huán)保、食品和醫(yī)藥等多個領域，是解決目前人類所面臨的能源和環(huán)境問題的重要技術。相對有機膜而言，無機膜具有耐高溫、高壓和化學腐蝕，機械強度大等突出優(yōu)點。納米孔碳膜作為無機膜的一種，還具有統(tǒng)一的孔分布，且可受制備條件來控制，因此在氣體分離領域具有巨大的應用前景。本文采用分子模擬的手段研究了氣體在納米孔碳膜中吸附、擴散和分離的過程。主要內容如下： 1．對目前普遍采用的模擬氣體膜分離過程的非平衡態(tài)分子

2、動力學方法進行了改進，碳膜采用帶有出口和入口的狹縫孔模型來表示，在膜兩側的控制體積與膜之間插入緩沖區(qū)來消除膜端口處氣體通量的不連續(xù)性，從而充分考慮端口效應對氣體滲透和分離過程的影響。該方法與此前多采用的流動速度方法相比，從物理上看，顯得更加自然和合理。 2．H2和CO混合氣體工業(yè)上稱之為合成氣（Syngas），通過分離，H2可以作為理想的清潔能源，而CO則可以用作合成醋酸的原料。更重要的是，合成氣通過條件配比，可以有費托合成法制

3、取烷烴、烯烴和醇類等多種化工產品。本文分別采用巨正則Monte Carlo和非平衡態(tài)分子動力學對H2/CO在納米孔碳膜中的平衡吸附分離以及非平衡態(tài)擴散分離進行了系統(tǒng)而細致的模擬研究，從模擬得出的微觀現(xiàn)象出發(fā)，深入地分析了分離的機理，并全面考察了狹縫孔寬、分離溫度、分離壓力、原料氣組成和膜厚度對分離過程的影響。從分子模擬的角度，指出了這一體系適合的分離條件。由平衡吸附分離過程模擬得出，H2/CO在碳膜中吸附分離的最佳狹縫孔寬為0．74 n

4、m。在此孔寬下，碳膜對溫度和壓力分別為300 K和1．0 MPa的等摩爾混合物的平衡分離因子為6．5，對應H2和CO的吸附量分別為2．0和12．9 mmol/g。低溫操作有利于提高H2和CO的吸附量和平衡分離因子；低壓操作不利于提高氣體的吸附量，但可以提高平衡分離因子；而且，平衡分離因子隨原料氣中H2的摩爾分率的增加而升高。由非平衡態(tài)擴散分離過程模擬得出，狹縫孔寬對氣體滲透和分離過程的影響非常顯著。分離的機理在孔寬變化的三個階段各不相同

5、：當孔寬為0．50～0．64 nm時，分離過程為分子篩分主導，H2能透過碳膜，而CO基本不能，0．5MPa和300 K下孔寬為0．64 nm時動力學分離因子達到52．88；當孔寬為0．64～0．84 nm時可以認為是篩分作用與氣體的吸附和擴散性質共同作用階段；而當孔寬為0．84～2．01 nm時，分離過程轉而受兩種氣體的吸附和擴散性質控制，在此孔寬范圍內，CO擴散時主要是吸附在碳膜孔壁上，以表面擴散的方式透過碳膜，而H2則主要是從膜孔中

6、心處擴散透過碳膜。分離溫度高對H2/CO的非平衡態(tài)分離過程有利，適合的分離溫度范圍為330～353 K。而膜兩側壓差對氣體的滲透通量以及動力學分離因子的作用相悖，高壓有利于提高氣體的通量，卻降低動力學分離因子。而且，動力學分離因子基本不隨原料氣體的組成發(fā)生變化。H2對CO的動力學分離因子隨膜厚度的變化因分離機理的不同而相反。對于由分子篩分作用主導的孔寬為0．64 nm的情況，動力學分離因子隨膜厚度的增加而增大；而對于由氣體的吸附和擴散性

7、質差異主導的孔寬為1．01 nm的情況，動力學分離因子隨膜厚度的增加而減小 3．通過模擬H2、CO、N2、O2和CH4五種純氣體在納米孔碳膜中的擴散過程發(fā)現(xiàn)，氣體的擴散過程遵從Fick定律，由此出發(fā)計算了不同狹縫孔寬和溫度下五種氣體擴散通量、傳遞擴散系數(shù)和擴散的活化能。所得傳遞擴散系數(shù)與文獻報道值相近，考慮到實驗方法測定氣體在多孔材料內的傳遞擴散系數(shù)通常費用昂貴，且不準確，因此，本文由模擬方法得出的結果可以為多孔材料的設計和應用