巨正则系综Monte Carlo模拟方法研究活性炭的微孔尺寸

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Monte Carlo（GCEMC）方法得到不同也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的吸附性能提供了基础与指导，模拟，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。     

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。     

Stockmayer流体在活性炭孔中的吸附的分子模拟

应用巨正则系综monteCarlo方法模拟Stockmayer流体[以一氯二氟甲烷(R22)为代表]在活性炭孔中的吸附。模拟中R22分子采用等效Stockmayer势能模型,狭缝碳孔墙采用10-4-3模型。通过模拟得到了最佳孔径,并在最佳孔径下,针对不同的主体压力及活性基团密度,得到了吸附等温线、孔中流体的局部密度分布图和较为直观的孔内流体分子的瞬时构象,分析了吸附等温线的特征及孔内流体的吸附结构,认为在0.0,1.0sites/nm^2的活性基团密度下的碳孔内分别发生物理及化学吸附,并确定了最佳操作压力,为工业设计合适的催化剂提供依据。     

超临界甲烷在活性炭上的吸附平衡分析

为分析由吸附平衡时的热力参数确定吸附量、吸附模型和等量吸附热精度的影响因素,选择在温度268.15~338.15 K和压力0~13.5 MPa测试的甲烷在Ajax活性炭上的吸附平衡数据,通过引入甲烷分子可进入活性炭吸附空间内的容积和可以不考虑甲烷在孔内吸附的临界孔宽的概念,依据甲烷在吸附平衡前后的总量守恒,确定甲烷在吸附池内的总量、绝对吸附量和过剩吸附量三者之间的关系式。结果表明,在引入吸附质分子可进入吸附空间内的容积和临界孔宽后,经由活性炭的孔径分布(PSD),可以准确计算甲烷在活性炭上的过剩吸附量;应用实验数据非线性回归Toth方程参数后,可由Gibbs关于吸附的定义确定甲烷在活性炭上的绝对吸附量。比较结果时发现,由于未考虑本体相中甲烷分子对吸附甲烷分子的影响,采用过剩吸附量的等量吸附线标绘确定的等量吸附热数值偏高,工程应用时应由绝对吸附量来确定等量吸附热。     

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。     

超临界甲烷在纳米材料中最适吸附压力的确定

用巨正则Monte Carlo (GCMC)方法模拟了超临界甲烷在层柱纳米材料中的吸附.模拟中,层柱纳米材料采用了柱子均匀分布在层板间的模型, 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 (site to site) 的方法计算.得到了甲烷的随着压力先增大后减小的超额吸附等温线.在T=207.3 K时,1.02、1.70和2.38 nm孔宽对应的最适操作压力 (即对应于最大吸附量时的操作压力) 分别为2.4、3.1和3.7 MPa.然而,在T=237.0 K时,1.02、1.70和2.38 nm孔宽对应的最适操作压力分别为2.9、3.6和4.9 MPa,分别比T=207.3 K时相同孔宽下对应的最适操作压力至少高0.5 MPa. 模拟结果表明, GCMC方法是研究材料吸附性能的一种强有力的工具.     

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．     

碳纳米管固相微萃取涂层吸附性能研究

利用空气氧化和稀酸回流纯化单壁碳纳米管,用高分辨透射电镜、拉曼光谱对碳纳米管进行了表征.在分子模拟中,非极性氢气、甲烷分子采用单点Lennard-Jones球形分子模型,流体分子与C原子之间相互作用采用虚拟原子模型.以液氮温度下碳纳米管对氮气的吸附等温线实验数据为依据,利用巨正则蒙特卡罗方法模拟得到了碳纳米管的孔径分布,主要集中在6nm.计算了常温常压下碳纳米管中甲烷及氢气的吸附等温线,298K及0.1MPa压力下,氢气的吸附量达到0.015%(质量分数),甲烷在样品中的吸附量可以达到0.5%(质量分数).模拟研究结果表明碳纳米管可以用作固相微萃取涂层材料.     

修正的格子空间的密度泛函理论在狭缝中的应用

对描述单原子分子溶液在狭缝中的吸附现象的格子空间的密度泛函理论 (LDFT, lattice density functional theory)进行了修正, 在系统Helmholtz函数的推导中引入了平均场近似校正和Gibbs-Helmholtz方程. 对比Monte Carlo (MC)模拟结果, 发现LDFT理论对吸附分子在狭缝中的吸附浓度分布的预测与模拟数据有较大的偏差, 而修正模型的结果与模拟数据吻合较好 .随着体相浓度的变化,分子在狭缝中具有多级吸附行为, 具体表现为在特定体相浓度区, 对相同的体相浓度,狭缝中同时存在不同的分子浓度分布, 而在Gibbs等温线上可以明显看出多级吸附的性质. 对比修正前后的结果发现,两者均可以预测多级吸附行为, 但仍存在着较大的差异.     

Monte Carlo Simulation and Experimental Studies of CO2, CH4 and Their Mixture Capture in Porous Carbons

Adsorption of carbon dioxide and methane in porous activated carbon and carbon nanotube was studied experimentally and by Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulation. A gravimetric analyzer was used to obtain the experimental data, while in the simulation we used graphitic slit pores of various pore size to model activated carbon and a bundle of graphitic cylinders arranged hexagonally to model carbon nanotube. Carbon dioxide was modeled as a 3-center-Lennard-Jones (LJ) molecule with three fixed partial charges, while methane was modeled as a single LJ molecule. We have shown that the behavior of adsorption for both activated carbon and carbon nanotube is sensitive to pore width and the crossing of isotherms is observed because of the molecular packing, which favors commensurate packing for some pore sizes. Using the adsorption data of pure methane or carbon dioxide on activated carbon, we derived its pore size distribution (PSD), which was found to be in good agreement with the PSD obtained from the analysis of nitrogen adsorption data at 77 K. This derived PSD was used to describe isotherms at other temperatures as well as isotherms of mixture of carbon dioxide and methane in activated carbon and carbon nanotube at 273 and 300 K. Good agreement between the computed and experimental isotherm data was observed, thus justifying the use of a simple adsorption model.     

甲烷在层状石墨烯和活性炭上的吸附平衡

以吸附式天然气（ANG）吸附剂的工程应用为目的,以0-10 MPa、283.15-303.15 K甲烷在层状石墨烯（GS（3D）,比表面积2062 m²/g）和活性炭SAC-01（比表面积1507 m²/g）上的吸附平衡数据作分析。首先,在77.15 K下由氮气吸附表征样品的孔径大小及分布（PSD）和比表面积。其次,选择极低压力下的吸附平衡数据标定亨利定律常数,确定甲烷在两吸附剂上的极限吸附热,并由维里方程和10-4-3势能函数计算甲烷与两吸附剂壁面之间的相互作用势。最后,依据测试的甲烷在吸附剂上的高压吸附平衡数据,比较了Langmuir系列方程的关联数据后的拟合精度,并由绝对吸附量计算了甲烷的等量吸附热。结果表明,甲烷在GS（3D）和活性炭SAC-01上的平均极限吸附热为23.07、20.67 kJ/mol;283.15 K下甲烷分子与GS（3D）和活性炭SAC-01之间的交互作用势ε_sf/k为67.19、64.23 K,与洛伦混合法则的计算值64.60 K相近;Toth方程关联甲烷在活性炭SAC-01和GS（3D）上吸附平衡数据的拟合累计相对误差为0.25%和2.29%;甲烷在活性炭SAC-01和GS（3D）上的等量吸附热平均值为16.8和18.3 kJ/mol。相对于活性炭SAC-01,比表面积和微孔容积均较高的GS（3D）对甲烷的吸附更具有优势。     

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.     

氮气和氧气在膜表面和狭缝孔内平衡吸附的分子模拟

采用巨正则系综的MonteCarlo方法(GCMC)模拟常温(T=303K)下,氮气和氧气在具有狭缝状膜孔的碳膜内的吸附.气体分子之间、气体分子与膜原子之间的相互作用均采用Shifted-Lennard-Jones势能模型.研究了303K和10MPa下,不同膜厚度和膜孔宽度时氧气在膜面和膜孔内的密度分布以及303K和压力从1MPa到10MPa变化时,氮气和氧气在狭缝膜孔内超额吸附等温线.实验结果表明,膜孔端口效应显著,膜厚和膜孔宽度对孔内吸附影响较大,而膜构型对膜面吸附影响显著.     

Ethane adsorption in slit-shaped micropores: influence of molecule orientation on adsorption capacity

Adsorption of ethane in a slit shaped micropore system has been studied by Monte Carlo molecular simulation by considering this hydrocarbon as a two interacting sites molecule. Ethane adsorption in pore sizes from 0.41 to 1.66 nm was simulated at 303 K. Microscopic characteristics of the adsorbed phase have been studied for pores of different size, comparing two density profiles: the molecule centre of mass profile and the molecular interaction site profile. Averaged angle distribution of molecule positions with respect to the slit plane across the pore width has been also obtained by simulation. These results were related to ethane molecule packing efficiency, which is also related to the adsorption capacity in terms of the adsorbed phase density. Packing efficiency presents an oscillation shape as the result of the adsorbate disorder inside the pore. Pressure influence on the adsorption has been studied by following pore filling by simulation. When pore condensation takes place and for pressures above condensation, fluid-fluid interactions are determinant in molecule disorder observed between the two adsorbed layers.