分子模拟研究醇/水在沸石分子筛膜中的吸附与扩散

【摘要】： 沸石分子筛膜因其具有独特的物理化学性质以及与溶剂分子尺寸相近的孔道体系,在渗透汽化、气体分离和膜反应器等领域具有广阔的应用前景。4A和全硅MFI型分子筛膜具有优异的醇/水的分离性能,有必要研究该体系的微观结构、宏观热力学性质及传递性质,为溶剂组分在沸石分子筛膜中的吸附和扩散提供理论依据。本文的目的主要是采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)法、分子动力学(MD)方法研究甲醇/水和乙醇/水溶液分别在4A和MFI沸石分子筛膜中的吸附与扩散行为。 通过调节甲醇、乙醇和水的原子电荷,结合COMPASS力场模拟得到不同单组分的吸附等温线、吸附热及不同吸附量的自扩散系数,并与文献实验数据比较,同时考察了时间步长和沸石模型的刚柔性对模拟结果的影响,确定了模拟参数和模拟方法。再以甲醇/水和乙醇/水在4A沸石分子筛中的吸附与扩散行为研究对象,分析了不同醇浓度下的组分吸附等温线和水的扩散系数变化,各组分扩散轨迹、浓度分布以及氢键生成情况等,从分子水平解释了4A沸石分子筛对甲醇/和乙醇/水的分离性能。 随后根据实际分离的过程,建立所需要的模型,采用分子动力学研究了甲醇/水和乙醇/水溶液在MFI沸石膜中的渗透行为。首先考察了单组分的渗透情况,发现了MFI沸石膜的憎水性影响。接着研究了不同醇浓度原料液的渗透行为,分析了各组分从原料液至真空层的扩散过程、浓度分布和氢键情况等,可直观地观察膜分离过程中浓差极化现象,比较了体系中组分的自扩散系数与实验测得的液相溶液自扩散系数。