新型离子交换树脂吸附二氧化碳的机理研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shanyuqi0513
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化石燃料的广泛使用导致二氧化碳的排放逐年增加,全球温室效应现象日趋严重,极端天气越来越频繁,设计一种高效低耗的吸附剂材料具有重要的研究意义。新型离子交换树脂水驱动二氧化碳的炭黑吸附剂材料,是现在发现的一种优质的吸附剂,能量消耗的多少仅需要通过空气中的湿度来控制。目前,国内外学者主要运用了实验的方法研究了其吸附效果,但是实验方法不能准确地反映材料的结构特性和微观的结构变化对吸附效果的影响,因此分子模拟技术在反应机理、结构特性等方面的运用已经越来越广泛。本文通过Material Studio软件对水驱动新型离子交换树脂炭黑吸附剂的吸附过程进行模拟计算,构建了0.5nm、1.0nm、1.5nm、2.0nm四种不同层间距的新型离子交换树脂炭黑吸附剂的分子模型,同时构建了水分子、二氧化碳分子和四种离子的结构模型,对吸附剂分子模型、二氧化碳、水分子、和体系中的离子模型进行结构优化,并在273K和298K两个温度下进行吸附模拟。经过模拟计算,得到了如下结果:(1)四种层间距结构的吸附剂对二氧化碳的吸附量均是随着温度的增高有减小的趋势。从吸附热可以看出,1.0nm情况下的等量吸附热最大,是其他三种情况下等量吸附热的2-3倍,所以层间距为1.0nm左右的吸附剂吸附二氧化碳效果最佳。(2)二氧化碳在四种层间距的情况下都会形成五个吸附层,分别为两层吸附剂分子之间的吸附层,靠近两端吸附剂分子的吸附层,其余二氧化碳基本呈现游离态分散在体系中。(3)离子交换树脂改性的炭黑吸附剂对二氧化碳的作用产生的两个峰值主要受氢键和化学键的影响。吸附剂分子层间距为1.0nm条件下的径向分布函数最大,说明该情况下,吸附剂分子对二氧化碳的吸附作用最强。(4)吸附剂分子层间距为1.0nm左右时二氧化碳的自扩散系数最小,说明二氧化碳分子受到的束缚力最大,吸附剂吸附作用最好。经过模拟计算,我们可以看出离子交换树脂改性的炭黑二氧化碳吸附剂在分子层间距为1.0nm左右时,可以达到最好的吸附效果。
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