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溴化锂水溶液微观特性的分子动力学研究

朱蓓蓓  
【摘要】:溴化锂吸收式制冷机具有广阔的市场前景。在吸收式制冷系统中,发生在吸收器中的溴化锂浓溶液吸收水蒸气的过程是系统功能实现的关键阶段,而提高吸收速率一直被认为是提高系统效率和减少交换面积的重点。在溴化锂水溶液中加入少量的异辛醇等表面活性剂后,可以极大地提高吸收过程的传热传质能力。表面活性剂具有显著的强化吸收作用,国内外的学者也在这方面做了许多研究,但尚未得到清晰的和公认的解释。本文采用分子动力学模拟与实验研究相结合的方法,从微观角度研究表面活性剂的吸收促进机理,以求丰富和改进现有的表面活性剂强化吸收的理论。主要研究成果归纳如下: 采用分子动力学方法研究了温度对水的气液界面微观结构的影响。发现:液相密度是温度的减函数,界面厚度是温度的增函数;界面的存在对水分子局部结构几乎没有影响,但对水分子的取向有影响:界面处水分子的偶极方向平行于界面,但随着温度的升高,界面对水分子取向的影响越来越小;温度几乎不改变水分子的局部结构;液相处,平均每个水分子形成氢键的数目几乎稳定于某一数值,并且是温度的减函数,随着水分子到达界面处,氢键的数目单调减少。 采用分子动力学方法研究了温度和浓度对溴化锂水溶液气液界面微观结构的影响。发现:溴化锂水溶液的液相密度是浓度的增函数,界面厚度是浓度的减函数,而温度对液相密度和界面厚度的影响与浓度对其的影响相反;界面的存在并未影响离子周围水分子的局部结构和取向有序性;随着温度的升高,离子周围水分子取向的有序性不再那么明显;溴化锂水溶液浓度的改变对离子周围水分子取向分布的影响不大;温度和浓度的改变对离子周围水分子局部结构的影响不大。 采用分子动力学方法研究了醇类添加剂的数目对醇-水的混合物气液界面微观结构的影响。模拟结果表明:醇分子吸附在气液界面处,并在界面处优势取向;短链醇具有较强的溶解性;当正辛醇、异辛醇或正癸醇的数目较少时,醇分子在气液界面处形成单层,随着醇分子数目的增加,在气液界面处形成双层;界面厚度是醇分子数目的增函数。 采用分子动力学方法研究了醇类添加剂的种类、数目及溴化锂水溶液的质量分数对醇-溴化锂水溶液混合物气液界面微观结构的影响。模拟结果表明:正烷醇分子吸附在气液界面处,并在界面处优势取向,并且这种优势取向随着正烷醇数目的增加而更加显著;界面厚度是正烷醇数目和烃基链长度的增函数;随着正烷醇数目的增加,烃基链垂直于界面的方向有序性更加明显;离子与正烷醇中羟基存在着相互作用;正丁醇或异辛醇关于溴化锂水溶液的溶解性是溴化锂水溶液质量分数的减函数,符合盐析效应理论。 采用Daiguji等提出的模型,将醇分子置于吸收端溴化锂水溶液的两个气液界面处,采用分子动力学方法研究非平衡条件下,醇类添加剂对溴化锂水溶液吸收水蒸气的影响。模拟结果表明:正丁醇、正已醇、正辛醇、异辛醇、正癸醇均在溴化锂水溶液吸收水分子的过程中表现出强化作用,与实验趋势是吻合的。 对表面张力进行了实验和分子动力学研究。采用表面张力仪测量了常温下水、质量分数为60%的溴化锂水溶液的表面张力,与文献中的测量值接近。测量了单独添加正已醇、正辛醇、异辛醇、仲辛醇以及两两混合前述物质后的溴化锂水溶液的表面张力,发现添加两种添加剂后溶液的表面张力与单独添加时较低的张力值接近。采用分子动力学方法研究了温度、浓度对水及溴化锂水溶液表面张力的影响。计算结果表明:水和溴化锂水溶液表面张力的计算值小于实验值,但随着温度、浓度的变化趋势与实验趋势是一致的。采用分子动力学方法计算了分别加有正丁醇、正已醇、异辛醇的质量分数为60%的溴化锂水溶液的表面张力,发现添加剂都能一定程度地降低溶液的表面张力;同时计算了加有不同数目正辛醇的溴化锂水溶液的表面张力,发现溴化锂水溶液的表面张力是正辛醇数目的减函数,与实验趋势一致。


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