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水盐分子在分子筛膜中扩散过程分子模拟研究

李素婷  
【摘要】:随着量子力学、分子力学等学科理论及计算机技术的迅速发展,使得分子模拟技术在当前诸多领域的科学研究中广为应用,并发挥着越来越重要的作用。分子筛膜因具有独特的物理化学性质与孔道结构,其在脱盐领域展现出广阔的应用前景。运用分子模拟方法研究水盐分子在分子筛膜中的扩散过程,从分子层面上模拟分子的结构和行为,从微观角度了解分子在分子筛膜内扩散的机理。 本文采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法和分子动力学(MD)模拟方法,运用Materials Studio软件研究水盐分子在分子筛膜中的扩散过程。选用4种典型的分子筛膜(MFI、LTA、SOD、C168),5种复合比例(r=13,9,5,4,3)的MFI分子筛复合膜(MFI/PASF),将NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和水分子做为模拟对象。 1、水盐分子在单一分子筛膜中的扩散过程 采用GCMC方法模拟计算高压范围下H2O在MFI、LTA、SOD、C168四种分子筛膜中的吸附等温线,得到H2O在不同类型分子筛膜上的饱和吸附量。通过分析H2O在分子筛膜中吸附的密度和能量分布,得到H2O在分子筛孔道内的分布。 接着,采用MD方法模拟计算水盐分子在MFI、LTA、SOD、C168四种分子筛膜中的扩散过程。结果表明,随着膜内盐溶液浓度的增加,H2O和盐离子的扩散系数均减小,且盐离子的扩散系数减小的幅度远大于H2O的,与实验结果的变化趋势基本一致;对于相同浓度下的盐水分子,其在分子筛膜内的扩散系数随着温度的升高而逐渐增大。H2O在分子筛膜内的扩散过程较为稳定,其MSD曲线与时间呈现出较好的线性关系。对于相同浓度下不同的盐溶液,H2O和Cl-的扩散系数值基本不受阳离子种类的影响,而阳离子的运动则受其自身的半径和价态的影响较大。 2、水盐分子在复合分子筛膜(MFI/PASF)中的扩散现象 首先采用GCMC方法模拟计算高压范围下H2O在5种不同复合比值(r=13,9,5,4,3)的分子筛复合膜(MFI/PASF)中的吸附等温线,得到H2O在其上的饱和吸附量。通过分析H2O在分子筛复合膜内吸附的密度和能量分布发现,随着复合比r的减小,体系中的H2O的吸附量相应减小,且H2O倾向于优先吸附在MFI分子筛部分。 其次采用MD方法模拟计算H2O、Na+、Cl-三种粒子在5种复合比的分子筛复合膜内的扩散现象。结果表明,随着复合膜复合比的增加,扩散粒子的扩散系数值减小。得到H2O、Na+、Cl-三种粒子在复合膜内的扩散位移图,轨迹结果显示粒子在分子筛复合膜内的扩散是以跳跃式的非连续性方式进行的。


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