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多孔介质中复杂流体吸附行为的自由能密度泛函研究

严彬  
【摘要】:复杂流体混合物在固体多孔介质中的微观吸附行为的分子理论研究一直是近年来一个非常活跃和令人感兴趣的领域。而基于非均匀流体统计力学的自由能密度泛函理论,正是一种从分析组成宏观物质的微观粒子的结构和相互作用出发,进而来阐明物质宏观性质的分子理论方法。由于其内在较为严格的理论基础,近年来,该理论方法在研究固体润湿、受限空间中的相变、固体表面吸附,甚至是膜分离等领域中都发挥了重要的作用。基于目前的状况,本文主要从以下几个方面对复杂流体混合物在多孔介质中的吸附行为进行系统的自由能密度泛函理论研究: 1. 在第一章中,就本研究工作所涉及的自由能密度泛函理论,超临界流体吸附和活性炭的特点等相关的内容作了简要全面的综述。 2. 在第二章中,建立分子水平的自由能密度泛函统计力学理论模型,用该理论模型研究了包含超临界二氧化碳和苯的复杂二元混合物体系在活性炭上的吸附行为,全面考察了孔径的大小,温度,压力,组成摩尔分数, 以及流体分子吸附能力的差异等对吸附平衡的内在影响。结合吸附积分方程理论,关联拟合混合物中组分苯的实验吸附数据,由此得到关于活性炭的孔径分布,结果表明: 溶质(苯)在超临界条件下主要吸附在微孔区域。此外,计算演绎的吸附机理及对相关影响因素的有效评价也为工程设计合理有效的吸附剂和优化实验操作条件提供了理论基础和依据。 3. 在第三章中,结合吸附积分方程理论,通过同时拟合超临界条件下二元混合物中对应两组分的纯物质在活性炭上的实验吸附数据,可以得到关于活性炭的孔径分布。在此基础上,用自由能密度泛函理论预测了对应条件下二元混合物的吸附平衡。计算结果表明:该方法能满意地预测三个超临界二元气体混合物体系CH_4/N_2, CH_4/CO_2, 和CO_2/N_2在不同摩尔组成条件下在活性炭上的吸附平衡行为。与理想溶液吸附理论相比,预测优势明显。这也同时说明:从被吸附分子本身的分子特性出发,同时考虑所用吸附剂本身的孔结构性质的分子理论将会从根本上改善理论的预测功能。 4. 在第四章中,考虑到先前的自由能密度泛函理论模型对混合物中的弱吸


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