层柱粘土吸附甲烷的模拟和参数优化研究

用巨正则系综Monte Carlo方法(GCMC)来模拟ZrO₂柱撑粘土对天然气主要成分甲烷的吸附. 为了更好地反映甲烷与层柱粘土无机层板的相互作用, 对墙势模型中的尺寸参数σ_fw和能量参数ε_fw取值进行了优化. 我们系统地改变甲烷在蒙脱土晶体结构中的位置, 建立起一系列甲烷与层板相互作用的Lennard-Jones势能曲线, 通过最小二乘法拟合这些Lennard-Jones势能曲线得到一系列的σ_fw和ε_fw值, 利用拟合得到的σ_fw和ε_fw算术平均值作为墙势模型中两个交互作用参数的取值进行分子模拟, 模拟结果与文献实验值符合较好. 在此基础上, 进一步模拟了3种不同孔率, 层间距为0.64 nm的ZrO₂柱撑粘土(ZPC)在245 K下对临界态甲烷的吸附, 发现 3～4 MPa是ZPC材料吸附甲烷较适合的压力范围, 而且孔率大的ZPC有利于甲烷的吸附.     

超临界甲烷在氯化锆层柱纳米材料中吸附的分子模拟

用巨正则MonteCarlo(GCMC)方法模拟了甲烷在氯化锆层柱材料中的吸附。模拟中,氯化锆层柱材料模型化为柱子均匀分布在层板间的层柱孔,非极性分子甲烷采用Lennard-Jones分子模型,层板墙采用Steele的10-4-3模型,流体分子与柱子的相互作用采用点-点(sitetosite)的方法计算。在高度理想化模型的基础上,引入交互作用参数kfw,建立了有效势能模型。通过实验数据确定交互作用参数kfw,从而使该模型能有效地表征流体与层板墙的相互作用。根据77K温度下氮气的实验吸附数据,确定了流体和层板墙间的交互相作用参数。然后用这个有效的参数kfw=0.65模拟了三个超临界温度下氯化锆层柱材料中甲烷的吸附情形,得到了它位的吸附等温线,局部密度分布以有流体分子在层柱微孔中的瞬时构象,并分析了温度对材料吸附性能的影响。结果表明GCMC方法是预测材料吸附性能的一种强有力的工具。     

超临界甲烷在氯化锆层柱纳米材料中吸附的分子模拟

用巨正则MonteCarlo(GCMC)方法模拟了甲烷在氯化锆层柱材料中的吸附。模拟中,氯化锆层柱材料模型化为柱子均匀分布在层板间的层柱孔,非极性分子甲烷采用Lennard-Jones分子模型,层板墙采用Steele的10-4-3模型,流体分子与柱子的相互作用采用点-点(sitetosite)的方法计算。在高度理想化模型的基础上,引入交互作用参数kfw,建立了有效势能模型。通过实验数据确定交互作用参数kfw,从而使该模型能有效地表征流体与层板墙的相互作用。根据77K温度下氮气的实验吸附数据,确定了流体和层板墙间的交互相作用参数。然后用这个有效的参数kfw=0.65模拟了三个超临界温度下氯化锆层柱材料中甲烷的吸附情形,得到了它位的吸附等温线,局部密度分布以有流体分子在层柱微孔中的瞬时构象,并分析了温度对材料吸附性能的影响。结果表明GCMC方法是预测材料吸附性能的一种强有力的工具。     

超临界流体中CO和H2吸附过程的Monte Carlo模拟

利用Monte Carlo (MC) 方法,研究了一氧化碳和氢气在不同密度正己烷中的等温吸附情况.模型考虑了正己烷密度对一氧化碳和氢气在催化剂表面吸附量与吸附速率的影响.结果表明,主要有三个因素会影响溶质的吸附量:当溶剂密度低于其临界密度时,体系压力是影响溶质吸附量的主要因素；当体系处于超临界区时,超临界溶剂的溶解能力以及溶质和溶剂之间的竞争吸附是影响溶质吸附量的主要因素.在一定范围内增加溶剂的密度（压力）可以提高溶质在催化剂表面的吸附速率.     

甲烷在AFS型分子筛中的吸附模拟

采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法模拟了甲烷分子在AFS型分子筛中的吸附量, 并和Dvren等人(Langmuir, 2004, 20: 2683)设计的金属有机骨架中的甲烷吸附量进行比较, 发现AFS型沸石分子筛对甲烷分子有很好的吸附性能, AFS型分子筛是中低压吸附储存天然气系统中的一种比较理想的吸附剂. 采用Dubinin Asakhov(DA)微孔分析方法, 分析了沸石结构对甲烷储量大小的影响, 总结了影响甲烷储量大小的物理因素.     

超临界甲烷在高表面活性炭上的吸附测量及其理论分析

实验测定了0～10 MPa,233～333 K (20 K间隔)范围内超临界甲烷在高表面活性炭上的吸/脱附等温线,确定了此物理吸附过程的可逆性,并从实验数据计算出吸附热为16.5 kJ/mol.　建立了描述具有最大点的吸附等温线模型,其总体偏差为±2%.　模型保持了特征吸附能恒定的性质,方程指数亦反映了吸附剂的微孔分布特征,模型参数给出了超临界甲烷的吸附相密度.　将超临界吸附极限态引入等温线模型中,经典的吸附理论亦可解释超临界吸附现象.     

模拟吸附在狭缝微孔中的丙烷的微观结构

用巨正则系综MonteCarlo（GCEMC）方法模拟了活性碳孔吸附丙烷时的微观结构．在GCEMC模拟中,非极性丙烷分子采用单点LJ球状分子模型,狭缝活性碳孔墙采用10－4-3势能模型．在温度T＝134．3K下,模拟并观察到了丙烷分子在狭缝活性碳孔中的吸附、脱附以及毛细凝聚现象,得到了吸附等温线和孔中流体的局部密度轮廓图．从分子水平出发,详细分析了吸附、毛细冷凝时孔中流体的微观结构,为认识、理解吸附的微观机理提供了工具与借鉴．     

苯-乙烯超临界烷基化反应体系在ZSM-5中吸附行为的分子模拟

运用巨正则蒙特卡罗的方法研究了超临界苯-乙烯混合体系在ZSM-5分子筛中的吸附行为.首先模拟了苯-乙烯混合物在ZSM-5分子筛中的吸附等温线.苯的吸附等温线呈现出先增大,而后渐趋平衡,最后又有减小的趋势.而苯在分子筛中的吸附位集中在弯曲通道和直通道的交叉处,且不随压力的变化而变化.从苯在两通道的交叉处产生了"类凝结"(commensurate freezing)现象的角度解释了这种现象.乙烯的情况有所不同,其吸附等温线始终呈增大的趋势,其吸附位随着压力的变化呈现明显的变化.探讨了不同主体相苯/乙烯比(进料比)下超临界的苯-乙烯的混合吸附行为.表明苯的平衡吸附量曲线基本上不随主体相苯/乙烯比的变化而变化,而乙烯随主体相苯/乙烯比的增大而减小,它们在主体相苯/乙烯比为3:1时相交.因此,由苯和乙烯生成乙苯的反应机理出发,从理论上得到了超临界条件下最优的进料比为3:1.此外,在超临界条件下,观察到苯的吸附位集中在两通道交叉处,乙烯的吸附位集中在除两通道交叉处之外的直通道和弯曲通道中,它们不随主体相苯/乙烯比的变化而变化.     

超临界条件下甲烷在纳米活性炭表面的吸附机理

在273-373 K、0-10 MPa范围内测量了甲烷在纳米活性炭表面的吸附等温线和等量吸附热. 结果发现, 在实验涉及的温度范围内, 吸附平衡特性在低压下能够很好地遵循Dubinin-Astakhov (DA)微孔填充模型, 但是当压力超过特定范围时, 吸附等温线及等量吸附热测量数据都与DA模型计算结果发生了偏离, 吸附行为更接近单层定位吸附.文中参照Cerofolini对亚单层吸附提出的Freundlich-Dubinin-Radushkevich (FDR)混合模型, 对纳米活性炭在较高压力条件下的吸附使用通用Freundlich (GF)模型进行了修正, 从而提出了一种分段模型GFDA. 根据GFDA模型对甲烷在广泛的压力范围内在纳米活性炭表面的吸附机理进行了完整的解释, 并对纳米活性炭表面的能量非均匀性进行了分析.     

Gibbs系综Monte Carlo模拟甲烷的吸附平衡

在263、298和313 K下,对甲烷在1.91 nm的活性炭孔中的吸附平衡进行了Gibbs系综Monte Carlo(GEMC)模拟的研究.改进了GEMC方法,使之可用于模拟指定压力下的吸附平衡.通过改进的GEMC模拟,得到了在1.91 nm的活性炭中甲烷在263、298和313 K时的吸附等温线;发现263 K时的超额吸附量要大于298 K、313 K时的超额吸附量; 且不同温度下的超额吸附等温线均存在一最大超额吸附.263 K时,超额吸附量在5.0 MPa时出现最大值;而298 K、313 K时超额吸附量则在7.0 MPa时出现最大值.此工作为不同温度下天然气吸附存贮过程的开发及设计提供了依据.     

巨正则系综Monte Carlo模拟方法确定活性炭的微孔尺寸

根据299K下甲烷在活性炭中的吸附实验数据,通过调节狭缝微孔的孔宽参数,利用巨正则系综MonteCarlo(GCEMC)方法得到不同孔宽下流体的微观结构以及吸附等温线.比较并拟合模拟结果和实验数据,确定了活性炭微孔的平均孔宽,为下一步求解微孔尺寸分布以及为预测吸附剂在不同温度下吸附不同吸附质分子时的吸附性能提供了基础与指导.模拟中,甲烷分子采用单点Lennard-Jones球型分子模型,活性炭用狭缝孔来近似表征,流体分子与单个狭缝墙的相互作用采用著名的Steele的10－4-3势能模型.模拟表明,此方法为考察介孔材料的微孔分布以及微孔平均孔宽提供了新的思路.     

芳香类化合物在ITQ-1分子筛中吸附特性的蒙特卡罗模拟

用巨正则统计系综蒙特卡罗模拟研究了苯、甲苯以及间二甲苯分子在ITQ-1分子筛中的吸附特性.从这3种分子的粒子分布云图上,可发现分子的扩散和吸附主要在十二元环超笼内发生,在十元环通道内的吸附和扩散则相对较难.从一系列不同压力下的蒙特卡罗模拟还预测了3种分子的吸附等温线,预测结果与实验结果相符.这3种分子在一定压力下,都可通过十元环通道或连接十二元环超笼的十元环窗口到达分子筛孔道内部,达到较好的吸附平衡状态.     

苯与丙烯在MCM-22型分子筛内吸附行为的Monte Carlo研究

采用巨正则统计系综Monte Carlo模拟方法研究了不同温度、不同吸附方式下纯硅MCM-22型分子筛ITQ-1上苯与丙烯分子的吸附行为. 分子筛内吸附质粒子云分布模拟结果显示, 苯和丙烯主要吸附在超笼和十元环孔道内, 其中丙烯分子几乎充满了孔道内部大部分区域, 在链接超笼之间的十元环窗口也充满了丙烯分子, 而苯分子在超笼内和十元环孔道内的吸附却较为分散、均匀. 丙烯与分子筛之间相互作用能高于苯与分子筛之间的相互作用能, 使苯分子吸附相对丙烯分子更为稳定. 温度变化对分子筛上丙烯吸附远大于对苯吸附的影响, 100 kPa时温度由298 K升高至443 K导致丙烯分子吸附量迅速减少, 而对苯分子却没有显著的影响. ITQ-1分子筛上存在苯和丙烯分子的竞争吸附, 使两者吸附相互作用能最可几分布朝着折中方向移动. 苯与丙烯在分子筛内吸附等温线的模拟结果表明, 在温度较高、压力较低时, 丙烯的吸附量小于苯的吸附量.     

密度泛函与分子模拟计算介孔孔径分布比较

用巨正则系综Monte Carlo模拟(GCMC)方法和密度泛函理论（ DFT）结合统计积分方程（SIE）计算了介孔材料的孔径分布.为比较这两种方法,以77 K氮气在介孔活性碳微球中的吸附数据为依据,求出其孔径分布.在GCMC模拟和DFT计算中,流体分子模型化为单点的Lerrnard-Jones球;流体分子与吸附剂材料之间的作用采用平均场理论中的10-4-3模型.在DFT方法中,自由能采用Tarazona 提出的加权近似密度泛函方法(weighted density approximation,WDA)求解.结果表明,对于孔径大于1.125 nm的介孔材料,GCMC和DFT两种方法都可以用来研究介孔材料的孔径分布;对于小于1.125 nm的介孔材料,不能用DFT方法计算孔径分布（DFT方法本身的近似产生了误差）,只能用分子模拟方法.     

Diffusion and Adsorption of Benzene and Propylene in MFI,MWW and BEA Zeolites:Molecular Dynamics and Grand Canonical Monte Carlo Simulations

The diffusion and adsorption behaviors of benzene and propylene in zeolites MFI, MWW and BEA have been studied by molecular dynamics(MD) and grand canonical Monte Carlo(GCMC) simulations. The diffusion coefficients of benzene and propylene in MFI, MWW and BEA zeolites were calculated by simulating the mean-square displacements(MSD) at 298 and 600 K. Benzene and propylene showed the different adsorption rules in the channels of the three zeolites. For propylene, the molecular loadings decreased in the order:...     

层柱状微孔材料吸附存储天然气的Monte Carlo模拟

采用巨正则系综MonteCarlo方法模拟了天然气中主要成分甲烷在层柱状微孔材料中T=300K下的吸附存储,在模拟中层柱状微孔采用Yi等人建立的柱子均匀分布在两炭孔墙之间的模型来表征。甲烷分子采用Lennard-Jones球型分子模型,炭孔墙采用Steele的10-4-3模型,对孔宽为1.36nm的层柱微孔,模拟了四个不同孔率的层柱材料吸附甲烷的情形。得到了孔中流体的局部密度分布以及吸附等温线,对比不同孔率下甲烷的吸附量,得到了此情形吸附甲烷的较佳孔率为0.94。