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基于COSMO-SAC模型和分子模拟预测复杂系统热力学性质

杨犁  
【摘要】:本文采用类导体屏蔽片段活度系数模型(COSMO-SAC)和分子模拟方法研究了高分子系统、离子液体系统、受限空间内甲醇与甘油系统和多氯联苯系统的热力学性质及其相关的传递行为。 高分子溶液的汽液相平衡性质是重要的热力学信息,准确地测量其性质往往会遇到诸多困难,本文尝试在无实验数据情况下利用COSMO-SAC模型进行预测。针对COSMO-SAC模型拓展到高分子溶液相平衡预测时,量子化学计算所遇到的难点问题,我们通过对高分子结构特点的分析,提出了一套完整的计算高分子电荷密度分布、空穴体积和空穴表面积的方法。此方法中,每条高分子被假设成由相同数目的重复单元所组成,高分子链的量化数据可通过其自身重复单元的量化数据线性叠加得到。对此,我们给出了高分子链重复单元的构造方法和重复单元量化计算的详细过程。对几种典型高分子溶液汽液相平衡的预测结果表明:在具有代表性的高分子重复单元结构构造完成后,即可实现高分子链的量化计算,从而在完全不依赖实验信息的情况下预测高分子溶液的汽液平衡数据。预测结果与实验数据的对比表明,此方法的预测准确度非常高。 离子液体作为一种功能型溶剂分子越来越多的受到研究者的关注,而其热力学性质则是关键的信息。针对离子液体在溶液中的存在状态,研究者提出了多种的假设,例如完整分子、自由正负离子、或“离子对”等。本文基于离子液体的这几种假设,在COSMO-SAC(2007)模型基础上分别构建了三种离子液体结构模型,即离子液体视为分子的COSMO-SAC(molecule)模型、离子液体完全由正负离子组成的COSMO-SAC(ions)模型和基于“离子对”的COSMO-SAC(CA)模型,用这些模型预测了离子液体的汽液平衡、液液平衡和溶质在离子液体中的无限稀释活度系数,并优化了每个模型中两个全局能量参数。研究结果发现,COSMO-SAC(CA))的预测效果优于COSMO-SAC(ions)的预测效果,而将离子液体处理为分子时的预测效果最差。上述结果表明,溶液中的离子液体更可能以离子对的形式存在,以分子状态存在的可能性最小。同时为在无实验数据的条件下,准确预测离子液体相平衡性质提供了科学方法。 甘油作为生物燃料生产的副产物需要作进一步的再利用研究。本文通过分子模拟的方法研究了甲醇和甘油混合物在IRMOF-1中的吸附和扩散现象,探寻其中存在的规律。GCMC模拟研究发现,当甘油低于饱和吸附态时,孔道中存在甲醇分子可促进甘油在IRMOF-1材料中的吸附,并且随着甲醇分子数目的增加,甘油的吸附量也会随之增加。在MD模拟研究中,处于无限稀释的条件时,甘油的自扩散系数与温度的关系可采用Arrhenius关系式精确关联,并得到甘油在IRMOF-1材料中吸附活化能和指前因子。同时模拟还发现,低温和高温条件下甲醇对甘油扩散能力存在完全不同的影响。在低温300K时,高浓度的甲醇可以提升甘油分子和甲醇分子的扩散能力。在600 K的高温下,高浓度的甲醇可导致甘油分子和甲醇分子的扩散能力减弱。因此,模拟研究表明甲醇分子的加入,可以调节甘油在MOF材料中的吸附和扩散性能。 针对多氯联苯(PCBs)对环境污染存在的危害和环境治理中物性数据的需要,本文选取了36种PCBs分子为研究对象,采用分子动力学模拟方法计算了其在水和正辛醇中的溶剂化自由能,继而预测了其醇水分配系数。研究结果表明,梯形面积积分法和拟合方程积分法均适用于本文所选系统的溶剂化自由能计算。相比梯形面积积分法,虽然拟合方程积分法的计算过程比较复杂,但其积分过程是连续的,故能给出更为精确合理的计算结果。当采用OPLS力场中氯苯的原子电荷描述PCBs的原子电荷时,所得的分配系数均高于实验结果,此结果表明此电荷不能很好地描述PCBs分子在醇水系统中的真实状态。由此,我们对PCBs的原子电荷进行了优化,研究发现当氢原子和氯原子的电荷数分别为0.16和-0.27时,分配系数的预测结果得到显著改善。此结果表明新的原子电荷很好地描述了PCBs分子在醇水系统中的真实状态,并为环境科学治理提供了可靠的预测方法。


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