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氦气在氩霜表面吸附的巨正则蒙特卡洛模拟

低温工程 2014年第1期 27-30页

作者：汤建成熊联友彭楠陆文海董斌刘立强中国科学院低温工程学重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

为了从微观角度解释深冷霜在低温下对不凝性气体的吸附机理,采用巨正则蒙特卡洛方法对氦气在氩霜狭缝孔结构中的吸附过程进行模拟。研究了粒子的局部密度随压力变化的分布,获得了氦气在不同孔宽和温度条件下的吸附等温线。模拟结果表明... 详细信息

为了从微观角度解释深冷霜在低温下对不凝性气体的吸附机理,采用巨正则蒙特卡洛方法对氦气在氩霜狭缝孔结构中的吸附过程进行模拟。研究了粒子的局部密度随压力变化的分布,获得了氦气在不同孔宽和温度条件下的吸附等温线。模拟结果表明,在相同温度和孔宽下,压力越高粒子在孔内的局部密度越大,且最大值的位置不随压力变化。在温度为4.2 K时,孔宽越大霜层对氦气分子的吸附作用力越小,当孔宽大于1.5 nm时,吸附等温线基本重合。系统的温度越低,起始的吸附压力越小。

关键词：巨正则蒙特卡洛模拟吸附等温线氦气氩霜

噻吩及其与烯烃在Cu(Ⅰ)Y分子筛中吸附的蒙特卡洛模拟

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石油炼制与化工 2016年第5期47卷 12-17页

作者：赵越莫周胜李强宋丽娟辽宁石油化工大学辽宁省石油化工催化科学与技术重点实验室辽宁抚顺113001 中国石油大学(华东)化学工程学院

利用巨正则蒙特卡洛模拟方法研究了噻吩及其与烯烃混合后在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附行为,选用含噻吩质量分数为300μg/g的正壬烷为模拟油进行吸附模拟,得到噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附等温线、吸附分布照片和局部吸附构型,并分别模拟4种... 详细信息

利用巨正则蒙特卡洛模拟方法研究了噻吩及其与烯烃混合后在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附行为,选用含噻吩质量分数为300μg/g的正壬烷为模拟油进行吸附模拟,得到噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附等温线、吸附分布照片和局部吸附构型,并分别模拟4种烯烃存在时对Cu(Ⅰ)Y分子筛脱硫效果的影响。结果表明:噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附为Langmuir型吸附,且高温不利于噻吩的吸附,同时由吸附照片观察到噻吩分子之间依靠分子间作用力相互聚集形成大的分子簇,进而填满Cu(Ⅰ)Y分子筛超笼孔道;Cu(Ⅰ)Y分子筛对噻吩具有较好的吸附选择性,而烯烃对噻吩饱和吸附量影响由大到小的顺序为环己烯>1,5-己二烯>1-己烯>1-辛烯,同时从微观吸附构型可以看出环己烯与噻吩存在竞争吸附。

关键词：吸附脱硫 Cu(Ⅰ)Y分子筛噻吩烯烃巨正则蒙特卡洛模拟

苯和甲醛在活性炭上的竞争吸附特性及关键因素研究

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苯和甲醛在活性炭上的竞争吸附特性及关键因素研究

作者：王波天津商业大学

学位级别：硕士

装修等原因造成的室内空气污染问题严重威胁着人类健康的同时,同样制约着社会发展与进步的速度。活性炭因其自身经济型、高效性及普遍适用于各种场所的吸附而备受青睐,但鲜有针对适用于室内污染物浓度低、种类多,且室内环境在不同季节... 详细信息

装修等原因造成的室内空气污染问题严重威胁着人类健康的同时,同样制约着社会发展与进步的速度。活性炭因其自身经济型、高效性及普遍适用于各种场所的吸附而备受青睐,但鲜有针对适用于室内污染物浓度低、种类多,且室内环境在不同季节、不同区域温差范围广、湿度变化大的实际情况而进行的活性炭多元空气污染物的竞争吸附研究。本文在不同工况下测得了某品牌活性炭对典型室内污染物(苯、甲醛)的吸附穿透曲线及苯和甲醛在不同配比下竞争吸附的穿透曲线,结果表明,提升初始浓度会在一定程度上提高吸附量,增加湿度会降低苯和甲醛的吸附量,但由于二者极性不同,湿度对其影响程度不同;活性炭对苯的吸附效果优于甲醛,在竞争吸附时苯吸附量大于甲醛的同时,苯可以置换出已被活性炭吸附的甲醛,形成顶峰效应。此外,在实验基础上,使用分子模拟软件,依据所使用的某品牌商用活性炭的物化性质表征结果及相关理论,借助比表面积测试仪及扫描电子显微镜,将活性炭吸附性能数据与活性炭结构特征参数、吸附质物理特性参数进行有机关联,并通过巨正则蒙特卡洛模拟方法,探究了不同活性炭孔径及不同工况条件下苯和甲醛的吸附效果。结果表明,活性炭孔径尺寸是影响其吸附效果的关键因素之一,在1,2,4nm三个不同孔径中,苯吸附量随着孔径增大而线性增大,但甲醛在2nm孔径的活性碳中吸附效果反而最佳;在活性炭微尺度吸附的理论基础上,利用已经建立的活性炭物性参数与吸附质物性参数的模型,对活性碳中有机物的选择性和竞争性吸附特性与其物理特性——孔径的相关性进行研究,比较了不同孔径、不同配比下甲醛与苯的竞争吸附结果,结果表明,在孔径较大的微孔或介孔中,苯的吸附效果较甲醛更佳,但在小孔中吸附效果不如甲醛。

关键词：甲醛苯竞争吸附湿度孔径巨正则蒙特卡洛模拟

高价态共价有机骨架材料对H2/CO2/CH4的吸附分离性能研究

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高价态共价有机骨架材料对H2/CO2/CH4的吸附分离性能研究

作者：边路颖河南工业大学

学位级别：硕士

当前,化石燃料的燃烧排放出大量的二氧化碳,使得全球温室效应加剧。寻找可替代传统能源的新型清洁能源迫在眉睫。氢气具有清洁无污染、热值高、可循环利用等特点,有望成为一种新型能源气体来使用,一直以来受到研究人员的广泛关注。目前... 详细信息

当前,化石燃料的燃烧排放出大量的二氧化碳,使得全球温室效应加剧。寻找可替代传统能源的新型清洁能源迫在眉睫。氢气具有清洁无污染、热值高、可循环利用等特点,有望成为一种新型能源气体来使用,一直以来受到研究人员的广泛关注。目前,在氢能源产业链中,如何安全、高效、低成本的存储和运输是一个亟待解决的难题。同时,在工业制取氢气的过程中,不可避免地会混入一些杂质气体如CO、CH等,这既影响了氢气的纯度,又对氢气的安全储运产生一定的威胁。基于多孔材料的气体吸附存储,具有可循环利用,操作简单等特点,近年来成为该领域的研究热点。共价有机骨架材料(COFs)是一种完全由非金属元素构成的晶态多孔材料,具有密度低、比表面积大、孔隙率高、孔结构可调、化学及水热稳定性高等特点,是目前最有应用前景的气体吸附分离材料之一。但是,由于大多数COFs材料构筑单元的价态(连通性)较低,多为3和4价,导致COFs材料种类相对较少。如果能将COFs构筑按单元的价态提高,其数目将会得到很大提升,在气体吸附分离方面或许有更加优异的性能。鉴于以上情况,本文基于五种新报道的高价态硼磷COFs(BP-COFs),利用密度泛函理论(DFT)和分子模拟方法,系统研究了材料的结构特性、储氢性能以及对H/CO/CH混合气体的吸附分离性能。首先利用DFT方法对材料进行结构优化,并采用数值蒙特卡罗(NMC)方法对材料结构进行理论表征;然后运用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法模拟研究了在77 K温度下,0.1 Bar～100 Bar压力范围内五种BP-COFs对H的吸附性能、298 K温度下,0.1 Bar～100 Bar压力范围内对H、CO、CH纯净气体的吸附性能以及298K,0.1～50 Bar压强范围内对H/CO/CH二元和三元混合气体的吸附分离性能。结果表明,在所研究的条件下,BP-COF-4和BP-COF-5具有比BP-COF-1、BP-COF-2、BP-COF-3更高的H、CO及CH吸附量。在298 K温度下,CO和CH分子在BP-COFs中的等量吸附热大于H分子的等量吸附热,表明材料与CO和CH分子的相互作用更强,预示着BP-COFs材料可以通过从H/CO/CH混合气体中吸附更多CO和CH,实现氢气的提纯。混合气体吸附分离研究表明,在298 K条件下,BP-COF-1和BP-COF-4对CH/H二元混合气体具有更好的吸附分离能力;而五种材料对CO/H二元混合气体的分离选择性遵从BP-COF-2>BP-COF-3>BP-COF-1>BP-COF4>BP-COF-5的排列顺序。构效关系分析表明,材料的孔腔极限直径(PLD)和最大孔腔直径(LCD)是影响材料吸附选择性能的主要因素:在一定范围内,材料的孔腔直径越小,与特定分子的相互作用越强,相应的分离选择性也就越高。对于H/CO/CH三元混合气体来说,BP-COF-4的吸附量分别为0.72 mg/g,68.44 mg/g,292.28 mg/g;BP-COF-5的吸附量分别为2.06 mg/g,105.96 mg/g,245.46 mg/g,针对不同气体的吸附量差值较大,展现出BP-COF-4和BP-COF-5在氢气提纯领域的广阔应用前景。吸附质分子的质心密度分布研究表明,CO,CH和H的最佳吸附位点都集中在有机配体和六面体(BPO)单元形成的角落处或六元环(-CH-)处。此外,BP-COF-2和BP-COF-3由于氟原子和甲基的存在,相应位置处出现明显的吸附位点,可为后续提高COFs材料气体吸附能力提供一定参考。本论文的研究既揭示了五种高价态BP-COFs材料较好的气体吸附和分离性能,又能对实验上研究开发新型高价态气体吸附分离COFs材料提供一定的理论参考。

关键词：巨正则蒙特卡洛模拟储氢吸附与分离高价态共价有机骨架材料

锆基金属有机骨架材料吸附脱汞的分子模拟研究

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锆基金属有机骨架材料吸附脱汞的分子模拟研究

作者：齐虎扬州大学

学位级别：硕士

金属汞不仅会污染人类家园环境,而且对人类的健康造成巨大的危害。金属有机骨架材料作为吸附剂在化工分离方面具有巨大的潜力,而锆基金属有机骨架材料因其热稳定性高、比表面积大和结构可调控等优点被广大研究者所关注。设计和开发具有... 详细信息

金属汞不仅会污染人类家园环境,而且对人类的健康造成巨大的危害。金属有机骨架材料作为吸附剂在化工分离方面具有巨大的潜力,而锆基金属有机骨架材料因其热稳定性高、比表面积大和结构可调控等优点被广大研究者所关注。设计和开发具有吸附脱除金属汞的锆基金属有机骨架材料具有重要意义。本文利用高通量筛选技术在MOF库中筛选具有吸附金属汞性能最佳的候选材料,并研究其在二氧化硫和水分子存在下对汞及化合物的吸附性能。采用高通量筛选方法在MOF库中筛选出181种锆基金属有机骨架材料,并用巨正则蒙特卡洛模拟计算单质汞在其中的吸附容量、亨利系数、亨利选择性、GCMC选择性等热力学性质。根据它们的热力学性质进而筛选出性能优异的10种Zr-MOFs,为了研究构效关系,对吸附性能优异的UiO-66-(SO3H)2和MOF-801进行了吸附机理研究。计算了在不同浓度二氧化硫存在下,单质汞在这两种Zr-MOFs中的吸附等温线、密度分布、自由能、径向分布函数等数据,得出孔径大小对烟气中Hg0的吸附和去除有重要影响。SO2分子的存在不会抑制UiO-66-(SO3H)2和MOF-801对单质汞的吸附性能。基于得到的181种锆基金属有机骨架材料,研究了水分子存在下脱除单质汞分离性能。材料的物性参数与吸附量之间的关系表明,调控材料的物性参数可以改变单质汞的吸附容量。通过控制Zr-MOFs的LCD值于5.00-7.50 A范围、VF于0.30-0.45、GSA在500 m2·g-1以下可以高效吸附脱除单质汞。吸附性能优异的UiO-66-(SO3H)2和MOF-801,研究其在两种湿度条件(分别为RH=36%和RH=80%)下的吸附等温线的流体分子的密度分布。结果表明,水分子的存在不会抑制对单质汞的吸附,反而一定程度上可以促进其吸附。进一步计算了氯化汞在181种Zr-MOFs材料中的吸附容量等数据,从中筛选出两种吸附氯化汞性能最优的Zr-MOFs(Zr-L5和MOF-806)。为了研究它们在混合体系中的选择性及吸附性能,计算了氯化汞和二氧化硫的双组份吸附等温线。吸附等温线结果表明,二氧化硫的存在一定程度上抑制对氯化汞分子的吸附,但这种抑制效果非常微弱。为进一步验证这种微弱的抑制作用,计算了密度分布。孔腔内的密度分布几乎没有变化,也证实了二氧化硫分子带来的这种微抑制作用。为了研究湿度对吸附性能的影响,计算了在相对湿度分别为36%和80%条件下,氯化汞和水的二元体系在Zr-L5和MOF-806中吸附等温线。结果表明,水分子的插入给两个骨架材料吸附氯化汞方面存在抑制作用。虽然Zr-L5的疏水性强于MOF-806,但Zr-L5因大孔腔和高比表面积却比MOF-806吸附更多的水分子。可见,孔腔和比表面积是影响吸附的重要特性。为进一步探究这种特性的影响,计算了双组份体系下的密度分布。密度分布结果也再一次证实Zr-L5和MOF-806因其特殊的结构使得在吸附氯化汞方面成为有潜力的MOFs材料。

关键词：吸附脱汞高通量筛选锆基金属有机骨架材料巨正则蒙特卡洛模拟

沸石类咪唑骨架材料吸附分离天然气的分子模拟

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物理学报 2013年第17期62卷 411-418页

作者：郭海超施帆马正飞周之雯周怡然南京工业大学化学化工学院材料化学工程国家重点实验室南京210009 URS Corporation PO Box 618 South Park PA USA. National Energy Technology Laboratory U.S.D.O.E. 626 Cochrans Mill Road Pittsburgh PA USA. Navi Health and Environment Technology Pittsburgh PA USA.

采用巨正则蒙特卡洛方法研究C2H6,CO2和CH4三种气体在两种沸石类咪唑骨架材料(ZIF)—–ZIF-2和ZIF-71中的吸附与分离性能.考察了C2H6,CO2和CH4三种气体在ZIF-2和ZIF-71中的单组分吸附等温线、吸附热;C2H6-CH4,CO2-CH4与C2H6-CO2等摩尔... 详细信息

采用巨正则蒙特卡洛方法研究C2H6,CO2和CH4三种气体在两种沸石类咪唑骨架材料(ZIF)—–ZIF-2和ZIF-71中的吸附与分离性能.考察了C2H6,CO2和CH4三种气体在ZIF-2和ZIF-71中的单组分吸附等温线、吸附热;C2H6-CH4,CO2-CH4与C2H6-CO2等摩尔二元混合物的分离;以及C2H6-CO2-CH4三元体系的分离性能.研究结果表明:低压下不同气体的吸附量大小与其吸附热关系紧密;而高压下因有限的孔空间,尺寸较小的气体分子吸附量增长趋向更快;多组分吸附分离中,低压下能量效应通常占据主导,ZIF优先吸附作用力较强的组分;高压下堆积效应影响显著,ZIF会优先吸附尺寸较小的组分.ZIF-2和ZIF-71对这3种二元体系的分离性能良好.对于三元混合物吸附分离,在常温下3000—4000 kPa范围内,ZIF-2具有良好的天然气净化性能,可有效地分离出天然气中的C2H6和CO2.

关键词：巨正则蒙特卡洛模拟天然气分离沸石类咪唑骨架

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分子模拟活性炭的方法及其应用进展

林产化学与工业 2015年第3期35卷 139-144页

作者：王国栋蒋剑春孙康南京林业大学化学工程学院江苏南京210037 中国林业科学研究院林产化学工业研究所江苏南京210042

介绍了分子模拟和传统吸附理论的关系,综述了使用巨正则蒙特卡洛模拟和密度泛函理论方法对活性炭结构的研究,归纳了近年来分子模拟技术在作为特殊吸附剂的活性炭的理论设计、吸附性能预测和指导表面基团改性方面应用过程中的研究进展。... 详细信息

介绍了分子模拟和传统吸附理论的关系,综述了使用巨正则蒙特卡洛模拟和密度泛函理论方法对活性炭结构的研究,归纳了近年来分子模拟技术在作为特殊吸附剂的活性炭的理论设计、吸附性能预测和指导表面基团改性方面应用过程中的研究进展。目前对活性炭微观孔结构的分子模拟研究,多停留于理论层面的模拟研究,而缺少对微观结构和宏观性质之间关系的分析。在实际应用中结合发挥分子模拟微观层面分析的优势,是分子模拟技术在活性炭研究中的重要发展方向。

关键词：活性炭分子模拟巨正则蒙特卡洛模拟密度泛函理论

嵌入配位不饱和金属位对多孔芳香骨架材料储氢性能的影响

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物理化学学报 2018年第3期34卷 286-295页

作者：吴选军李磊彭亮王叶彤蔡卫权武汉理工大学化学化工与生命科学学院武汉430070 新加坡国立大学化学与生物分子工程系新加坡117576 广州大学化学化工学院广州510006

基于密度泛函理论(DFT)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,系统地研究了引入配位不饱和金属位(CUS)对PAF-30n(n=1–4)材料储氢性能影响的规律。结果表明,77 K下PAF-302MgO_2_PBE100的最大过量质量储氢量达到7.97%(w);77K、10 MPa下100%醇... 详细信息

基于密度泛函理论(DFT)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,系统地研究了引入配位不饱和金属位(CUS)对PAF-30n(n=1–4)材料储氢性能影响的规律。结果表明,77 K下PAF-302MgO_2_PBE100的最大过量质量储氢量达到7.97%(w);77K、10 MPa下100%醇镁功能化改性PAF-302和PAF-303的绝对储氢量分别达到9.9%(w)(65.9 g?L^(-1))和15.0%(w)(50.5g?L^(-1)),分别超过美国能源部(DOE)标准80%(64.8%)和173%(26.3%),均超过在相同条件下目前储氢性能最佳的NU-1101(9.1%(w),46.6 g?L^(-1))。即使在243 K、10 MPa下,其绝对质量和绝对体积储氢量也能分别达到5.13%(w)和34.19 g?L^(-1),占DOE质量与体积储氢标准的93.3%和85.5%,是目前为止常温储氢性能较为均衡的多孔材料之一。结合等量吸附热(Q_(st))、径向分布函数(RDF)和质心几率密度分布(MCPD)方法进一步分析,发现有机链长度增加导致孔隙率增加和体积比表面积减小,是引起多孔材料绝对质量和绝对体积储氢量此消彼长的根本原因。另外,引入CUS能提高PAFs材料对H_2分子亲和力,显著增强其体积储氢量。

关键词：多孔芳香骨架材料配位不饱和金属位储氢分子模拟巨正则蒙特卡洛模拟

H_2O对沸石咪唑酯骨架材料CO_2捕获性能的影响研究

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工程热物理学报 2017年第10期38卷 2256-2260页

作者：胡建波刘晶顾晨凯华中科技大学煤燃烧国家重点实验室武汉430074

沸石咪唑酯骨架(ZIFs)材料是一种新型的温室气体CO_2吸附材料。本文采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟的方法研究了H_2O对ZIF-8及ZIF-90的CO_2吸附性能和CO_2/N_2分离性能的影响。研究结果表明,ZIF-90的CO_2吸附及CO_2/N_2分离性能要强于ZI... 详细信息

沸石咪唑酯骨架(ZIFs)材料是一种新型的温室气体CO_2吸附材料。本文采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟的方法研究了H_2O对ZIF-8及ZIF-90的CO_2吸附性能和CO_2/N_2分离性能的影响。研究结果表明,ZIF-90的CO_2吸附及CO_2/N_2分离性能要强于ZIF-8。在ZIF-8中,H_2O的存在对该材料的CO_2吸附性能和CO_2/N_2选择性分离性能几乎没有影响。H_2O对CO_2在ZIF-90中的吸附具有协同吸附作用,H_2O的存在对材料吸附CO_2及分离CO_2/N_2具有明显的促进作用。

关键词：二氧化碳水沸石咪唑酯骨架材料巨正则蒙特卡洛模拟