【摘 要】
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在轨高真空环境下,航天器所用非金属材料会释放出碳氢类、硅氧烷等有机分子污染物,容易沉积在航天器光学系统等敏感表面,影响航天器性能和使用寿命。空间分子污染问题已成为制约高性能航天器发展的重要不利因素。利用多孔吸附材料实时收集空间污染物,是解决在轨分子污染的新方法。沸石分子筛材料具有发达的孔道结构、大的比表面积,是理想的空间吸附剂材料。本课题选取具有独特“超笼”结构的NaY沸石分子筛作为目标吸附材料,
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在轨高真空环境下,航天器所用非金属材料会释放出碳氢类、硅氧烷等有机分子污染物,容易沉积在航天器光学系统等敏感表面,影响航天器性能和使用寿命。空间分子污染问题已成为制约高性能航天器发展的重要不利因素。利用多孔吸附材料实时收集空间污染物,是解决在轨分子污染的新方法。沸石分子筛材料具有发达的孔道结构、大的比表面积,是理想的空间吸附剂材料。本课题选取具有独特“超笼”结构的NaY沸石分子筛作为目标吸附材料,通过构建不同微孔及多级孔NaY沸石模型,研究其对典型分子污染物的吸附机制,并制备不同介孔孔径的多级孔NaY沸石材料,探究验证其分子吸附特性。主要结论如下:(1)成功构建微孔NaY沸石及其污染物吸附模型,并通过实验验证了模型的有效性。通过对比分析微孔NaY沸石模拟与实测XRD图谱,NaY沸石对甲苯分子的模拟吸附等温线与实测数据,验证了模型的有效性。在以上基础上,分别模拟不同温度、不同压力下,微孔NaY沸石对甲苯、邻苯二甲酸二乙酯和八甲基环四硅氧烷的吸附等温线、吸附热曲线和粒子密度分布图,分析研究微孔NaY沸石分子筛对污染物分子的吸附机制,其主要吸附位点为沸石的超笼内部及附近。计算结果进一步证实NaY沸石对空间分子污染物具有优异的吸附性能,且吸附量与污染物分子的尺寸结构有关,其对大尺寸污染物分子吸附量较低,对八甲基环四硅氧烷分子的饱和吸附量仅为8个分子,远低于甲苯的36个分子。(2)建立多级孔NaY沸石模型,深入探究典型空间分子污染物的吸附行为。在微孔NaY沸石模型的基础上设计构建了不同介孔结构的多级孔NaY沸石模型,模拟计算了多级孔NaY沸石对三种典型空间分子污染物的吸附性能。与微孔沸石相比,多级孔NaY沸石对不同空间分子污染物的吸附量均得到了明显提高,降低温度、升高压力和增大介孔率均有利于提高分子污染物的吸附性能。空间污染物分子主要吸附在多级孔NaY沸石分子筛的微孔结构和介孔结构处。(3)化学脱铝+表面活性剂辅助脱硅法制备孔径可控多级孔沸石,实验表征其分子吸附特性。采用化学脱铝法和表面活性剂辅助脱硅法对微孔NaY沸石进行刻蚀改性,成功制备出介孔尺寸可控的多级孔NaY沸石(~2.6 nm或~3.5 nm),证实可控制备多级孔NaY沸石的关键在于酸刻蚀剂和表面活性剂的选择。对不同介孔孔径的多级孔NaY沸石进行了甲苯分子吸附性能研究,甲苯在~2.6 nm的多级孔NaY沸石内快速达到吸附平衡,在~3.5 nm的多级孔NaY沸石内饱和吸附量更高,验证了计算所得的吸附规律。
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