金属-有机骨架材料中H2S/CH4混合物吸附与分离的分子模拟研究

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本课题采用优化后的DREIDING力场,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,对天然气中的两种气体CH4和H2S在Cu6(BTTC)4(H2O)6·xS(1)和[(CH3)2NH2]3[(Cu4Cl)3(BTTC)8]·yS(2)两种新型金属-有机骨架材料中的吸附与分离性能进行了比较研究,探讨了压强、温度等因素对吸附分离性能的影响,并分析了单组份与等摩尔混合物气体在吸附剂中的吸附能曲线,以及采用密度泛函理论分析了它们的质心密度分布图。主要研究内容如下:  首先,采用分子模拟方法系统地研究了在298 K和273 K下,两种吸附质在金属材料中的吸附性能与等焓吸附热分析。结果表明,聚合物1的吸附量和分离性能都高于聚合物2,且相同材料,温度越低,吸附热越高;在等摩尔混合情况下,聚合物1对于H2S/CH4的选择性最大,吸附热差值的大小关系为聚合物1>聚合物2。  其次,采用蒙特卡洛与密度泛函理论相结合的方法对比研究了单组份与二元混合物在两种聚合物中吸附能曲线。结果表明,不同温度下聚合物1在低压下,CH4的吸附能有两个峰值且它们的能量密度不同,CH4的吸附能高于H2S的吸附能;而在273K时,H2S吸附能却只有一个峰值,随着压强的增大,H2S的峰值高于CH4的峰值,在相同压强下,温度在273K时CH4和H2S的能量密度都稍大于温度在298K所对应的峰值。在H2S/CH4等摩尔比混合情况下的吸附能,它们之间存在着竞争关系,由低压时的两个吸附位转变为高压时的一个吸附位,而且CH4的吸附位逐渐被H2S所替代。  最后,研究了单组份与二元混合物的质心密度分布图。结果表明,在298K下,聚合物1吸附CH4时存在两个主要吸附位,其中金属簇Cu-苯基区域靠近金属的位置为第一吸附位,而相比于H2S的质心密度图,在低压下H2S同样也主要吸附在金属簇Cu与苯基周围,随着压力的增加,A区域已经达到了饱和状态,之后全部吸附在大孔道(B区域);在273K下时,聚合物1和聚合物2的质心密度分布图的差异比较明显,在A区域的吸附情况与之前的基本一致,而H2S的质心分布图在整个压力范围内,吸附量逐渐地上升,CH4的吸附量基本保持不变。综合分析上述的结果,在今后实际吸附分离H2S气体时,可以考虑到MOF材料的这些方面。
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