天然气作为一种清洁、经济的化石能源,已经被广泛地应用到各个领域。然而,根据气田所在位置的不同,开采出来的天然气中通常含有不同浓度的CO2、H2S等酸性气体杂质。为满足管道输送以及安全使用要求,工业上多采用有机胺溶液吸收法进行脱硫脱碳处理,但该方法能耗高、污染大。而吸附与膜分离等新型分离方法则克服了这些缺点。新型碳材料,尤其是石墨烯(Graphene)、石墨烯/碳纳米管复合材料(GNHS)和石墨炔(Graphyne)等,具有高强度,耐腐蚀、耐高温和高比表面积等优点,可作为优良的吸附剂和膜分离材料。本文采用巨正则蒙特卡洛方法,研究了H2S/CH4以及CO2/CH4二元混合物在新型碳材料(石墨烯、GNHS、多层石墨炔纳米结构)中的吸附分离机理,探讨了压力、温度、气相组成、吸附剂内预先吸附少量水分子等因素对吸附分离性能的影响,并采用分子动力学方法分析了混合物中各组分在吸附剂内部的动力学性质,以及多孔石墨烯膜孔处电荷对H2S/CH4混合物分离性能的影响。主要研究内容如下:首先,采用分子动力学方法研究了等摩尔H2S/CH4混合物在单层石墨烯表面的吸附性能。结果表明,各组分在石墨烯表面的吸附可视为单分子层吸附。气-固界面张力随着气相密度的增加而增大。当石墨烯表面存在缺陷时,各组分在缺陷处的势能降低,吸附量增高。其次,建立了GNHS模型,并采用蒙特卡洛与分子动力学相结合的方法对比研究了H2S/CH4,CO2/CH4二元混合物在多层石墨烯结构(MGNs)、纳米管簇和GNHS内的吸附分离性能。当GNHS内单壁碳纳米管(SWCNT)间距较大(x方向间距为20.32?,y方向间距为21.98?)时,GNHS对H2S的吸附能力以及选择性均低于具有相同层间距的MGNs,但CH4在两种吸附剂材料中的吸附量则基本相同。通过降低SWCNT间距可有效提高GNHS对H2S/CH4混合物的分离能力,SWCNT的间距仅减小0.5 nm,H2S的选择性即可由471.45升高至1366.23,而H2S的吸附量仅降低了7.9%。但降低SWCNT间距,CO2/CH4混合物的吸附量与选择性同时下降,对分离有着不利影响。升高温度同样对混合物的分离不利。提高气相中CH4含量,GNHS对H2S的选择性逐渐降低,CO2的选择性却逐渐升高。对天然气混合物动力学性质的分析发现CH4在GNHS内的自扩散系数最高,停留时间最小。因此,CH4更容易进入到吸附剂内部,但已经被吸附的CH4分子很容易被自扩散系数较小的H2S或CO2分子所取代。接着,研究了石墨烯与五种石墨炔所组成的层状结构对H2S与CH4纯组分及其二元混合物的吸附分离性能。讨论了压力、温度、气相组成以及吸附剂内预吸附少量水分子对气体吸附性能的影响。对于纯组分吸附过程的研究发现,随着炔基链长度的增加,两种气体达到饱和吸附所需的压力升高,H2S的吸附等温线由I型逐渐向V型转变。具有较小孔体积(0.662 cm3 g-1)和较高密度(0.879 g cm-3)的石墨炔-1纳米结构对H2S的质量吸附量却高于石墨炔-2纳米结构(孔体积为0.933 cm3 g-1,密度为0.696 g cm-3)。对于气体混合物吸附,由于两组分间的竞争,使得各组分的吸附等温线与纯组分吸附有所不同。在具有奇数个炔基(石墨炔-1,石墨炔-3和石墨炔-5)的吸附剂中,CH4的吸附量在低压下呈上升趋势,而在中高压范围内则逐渐降低至一稳定值。而在石墨炔-2与石墨炔-4中的吸附量则在所研究的压力范围内持续升高。六种吸附剂材料对H2S/CH4混合物的吸附选择性均随着压力的升高而呈现出先升高后略微降低的趋势。其中石墨烯的选择性最高,石墨炔-1纳米结构次之。随着温度的上升,H2S的吸附量与选择性持续降低,而CH4的吸附量则呈现出先升后降的趋势,吸附量出现最大值的温度向低温方向移动。当吸附剂内含有少量水分时,对气相混合物的吸附分离性能有着很大影响。随着水含量的升高,两吸附质组分的吸附量逐渐降低。当吸附剂孔体积较大或气相中H2S含量较低时,H2S的选择性随着水含量的升高而升高。最后,采用分子动力学方法研究了多孔石墨烯膜孔处电荷对H2S/CH4混合物分离的影响。发现膜孔处电荷对该混合物的分离存在着正、反两方面的影响。首先,电荷的存在使得H2S分子在膜孔处的势能急剧降低,大量H2S向膜孔处聚集,增加了H2S的渗透几率,有利于提高多孔石墨烯膜对H2S的选择性。但电荷的存在同时也导致渗透H2S分子脱离膜孔的难度增加,增大了H2S分子返回原料侧的概率,降低了H2S的渗透率,对混合物的分离有着消极影响。