CO2膨胀液体/超临界流体热力学性质分子模拟

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超临界流体(Supercritical Fluids,SCFs)、离子液体(Ionic Liquids,ILs)、二氧化碳膨胀液体(CO2 expanded liquid,CXLs)、水等,是绿色化学中常用溶剂。上述绿色溶剂的热力学性质研究是分离、反应等工作得以展开的基础。本文以CXLs和SCFs物理吸附为背景,用分子模拟方法研究溶质、溶剂的平衡和输运性质。首先,用分子动力学(Molecular Dynamic,MD)模拟考察了对氯硝基苯与CO2膨胀甲醇、苯乙腈与CO2膨胀乙醇体系的密度、膨胀度、扩散系数和粘度。模拟结果表明,随着有机溶液中CO2含量的增加,溶液膨胀显著,溶质、CO2、甲醇和乙醇的扩散系数增大,溶液的粘度下降。此外,用MD方法模拟研究CO2/[bmim][PF6]、CO2/[bmim][NO3]体系的热力学性质。模拟表明,CO2对ILs膨胀度的影响非常小。CO2/ILs的扩散系数远小于CO2膨胀甲醇、乙醇溶液的扩散系数。随着CO2含量的增加,ILs的扩散系数提高,粘度显著下降。CO2能有效地改善ILs扩散性差,粘度高的缺点。其次,以石墨狭缝作为受限空间模型,用简化局部密度(Simplified Local Density,SLD)理论、巨正则蒙特卡罗(Grand Canonical Monte Carlo,GCMC)模拟和MD模拟三种方法,分析了SCFs在石墨狭缝中的吸附等温线、密度以及扩散系数。压力很高时,SLD理论在关联SCFs在活性炭上的吸附等温线误差较大。本文通过对吸附相体积修正,关联了较宽压力范围的等温吸附线。用Lennard-Jones12-6势能公式代替10-4势能模型,关联SCFs在硅胶上的吸附等温线,扩展了SLD的应用范围。然后,用GCMC方法模拟CO2在石墨狭缝中的吸附等温线。低压下CO2在与其直径相当的狭缝内吸附量最大。压力较高时,CO2的绝对吸附量随狭缝宽度增加而线性增加。CO2的吸附等压线表明,随着温度的增加,压力较低时,CO2在较窄狭缝内吸附量下降显著。压力较高时,CO2在较宽狭缝内吸附量下降显著。根据CO2在狭缝内的密度和角度分布,分析了CO2在石墨狭缝中的吸附层变化,并发现CO2分子与石墨壁面平行有利于吸附地进行。模拟CO2/甲苯在石墨狭缝的吸附表明,压力增加甲苯的分配系数下降显著。通过对两种活性炭的尺寸分布关联,预测了CO2在活性炭上的吸附等温线。最后,用MD方法模拟研究CO2、CO2/甲苯在石墨狭缝中吸附的输运性质。径向分布函数表明,CO2在狭缝中具有典型的液体特性。CO2在受限空间的扩散系数远小于一般状态下的扩散系数。CO2/甲苯体系的扩散系数模拟表明,在垂直石墨层方向,甲苯的扩散系数小于CO2的扩散系数,说明石墨与甲苯的作用比石墨与CO2的作用强烈。
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