多孔納米材料吸附分離惰性氣體的分子模擬.pdf

1、隨著化工工業(yè)的不斷發(fā)展環(huán)境問(wèn)題變得日益嚴(yán)峻，每天產(chǎn)生大量具有放射性的惰性氣體，存在于建筑材料中的氡已經(jīng)成為了室內(nèi)空氣中的一個(gè)重要的污染物，如果不經(jīng)過(guò)處理會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大的污染，嚴(yán)重危害人們的身體健康。然而惰性氣體具有很多的工業(yè)應(yīng)用尤其是高純度的惰性氣體，在化工工業(yè)、醫(yī)學(xué)、尖端科學(xué)領(lǐng)域以及日常生活中都具有重要應(yīng)用，例如，高純度Xe非常昂貴，超過(guò)了$5，000kg-1，很多研究者致力于尋找一種低成本技術(shù)從惰性氣體混合物中吸附收集Xe。然而目

2、前分離惰性氣體常用的方法以及吸附材料都存在很大的不足，不能夠滿足高效吸附分離特定氣體的效果，而且在實(shí)驗(yàn)室中關(guān)于放射性氣體Rn的吸附實(shí)驗(yàn)也受到了實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的局限。在本文中主要預(yù)測(cè)的是多孔納米材料對(duì)惰性氣體的吸附分離能力，從而指導(dǎo)此類實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，以及為工業(yè)應(yīng)用提供一個(gè)初步的指引。
　　第一個(gè)工作是，利用蒙特卡羅(GCMC)計(jì)算方法分別計(jì)算了氣體Xe在單一狹縫孔中的吸附等溫線，結(jié)合積分吸附方程從理論上表征出實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)合成的氮摻雜多孔碳

3、材料(Carbon-ZX)的孔徑分布。然后利用巨正則系綜GCMC模擬方法預(yù)測(cè)該材料對(duì)純組分氣體Ar、Kr、Xe和Rn的吸附等溫線，同時(shí)計(jì)算它們各自的亨利常數(shù)及吸附熱數(shù)值，發(fā)現(xiàn)都滿足Rn＞Xe＞Kr＞Ar的順序，說(shuō)明Carbon-ZX與氣體Rn和氣體Xe之間有很強(qiáng)的范德華作用力，表現(xiàn)出很大的吸附潛能。隨后預(yù)測(cè)了Carbon-ZX對(duì)混合氣體Xe/Kr、Xe/Ar和Rn/N2的吸附和分離能力。結(jié)果表明，在相同的條件下，Carbon-ZX對(duì)于混

4、合氣體Xe/Kr、Xe/Ar的選擇性明顯高于其它的MOFs材料，也進(jìn)一步確認(rèn)了亨利常數(shù)和吸附熱的準(zhǔn)確性。計(jì)算Rn/N2的混合物時(shí)研究了7種不同Rn的摩爾含量的Rn/N2混合氣體。通過(guò)觀察Rn的摩爾濃度與選擇性的關(guān)系發(fā)現(xiàn)它們之間呈現(xiàn)倒U型曲線關(guān)系，而且當(dāng)Rn的摩爾濃度小于0.001時(shí)，Carbon-ZX對(duì)氣體Rn表現(xiàn)出了很高的選擇性數(shù)值可達(dá)到900～1200。本項(xiàng)工作成功地做到通過(guò)模擬的手段再現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)中合成的納米材料，并且對(duì)其進(jìn)行惰性氣體

5、的吸附分離能力預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該材料是在吸附分離Xe/Kr和Xe/Ar混合氣體中氣體Xe以及Rn/N2混合氣體中氣體Rn都具有很大的潛能。
　　第二個(gè)工作也是在巨正則系綜中，利用蒙特卡洛分子模擬方法預(yù)測(cè)在常溫常壓下，模擬23種不同類型的多孔金屬骨架材料(MOFs)對(duì)Rn/N2和Rn/O2兩種混合氣體中氣體Rn的吸附分離能力，通過(guò)分析比較氣體Rn的選擇性計(jì)算結(jié)果，篩選出4種表現(xiàn)優(yōu)異的材料ZIF-12、HKUST-1、IRMOF-62和ZI

6、F-11。然后利用這四種MOFs材料對(duì)不同摩爾濃度Rn的Rn/N2和Rn/O2混合氣體做進(jìn)一步的吸附計(jì)算。發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合氣體中Rn的摩爾濃度較低時(shí)，這四種MOFs對(duì)氣體Rn表現(xiàn)出較高的選擇性，說(shuō)明這幾種材料對(duì)于捕集低濃度的氣體Rn具備很大的潛能，尤其是材料ZIF-12。當(dāng)氣體Rn的摩爾濃度為0.0001時(shí)，對(duì)于Rn/N2和Rn/O2混合氣體中Rn的選擇性分別為～2800和～1750。可以看到，材料ZIF-12對(duì)于氣體Rn的分離能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其