超临界CO2及其混合物在多孔SiO2中的分子模拟研究

目前,分子模拟技术在许多领域起着越来越重要的作用,如化学工程,材料工程,生物和医药等领域。它可以获得研究体系的微观结构、宏观热力学性质及传递性质,为流体在多孔材料中的吸附和扩散提供理论依据。本文的目的是采用分子动力学(MD)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法研究流体在孔中的性质。本论文的主要研究内容如下: 1.采用巨正则蒙特卡罗(GCMC)和分子动力学(MD)模拟方法研究了纯组分CO2、苯以及苯/CO2混合物在全硅沸石(Silicalite)中的吸附平衡和动力学扩散性质。首先基于GCMC模拟从吸附等温线,吸附热,吸附位置,相互作用能等方面详细研究了纯组分CO2在全硅沸石Silicalite上的吸附性质,并与实验结果进行了比较。此外,分别考察了不同压力,温度以及组成对苯/CO2混合物在Silicalite中吸附性质的影响。通过对吸附位置的统计表明,苯分子优先选择空间较大的通道交叉部分吸附。模拟结果表明超临界CO2(SC-CO2)可以用于脱附Silicalite沸石中的苯分子。此外,对纯CO2以及苯/CO2混合物在沸石中的扩散性质的动力学(MD)模拟研究,表明共存的苯分子对CO2分子的扩散有很大阻碍作用,并且苯分子在沸石孔中几乎是不动的。 2.采用分子动力学模拟(MD)方法模拟研究了无定形二氧化硅的结构和表面性质。模拟过程首先采用熔融-淬火的方法进行,模拟得到的无定形二氧化硅结构的径向分布函数以及取向分布与文献一致的。然后,采用高温退火柔性化得到表面,该表面非桥氧(nb-O)浓度与文献模拟结果以及干氧氧化实验得到的表面是一致的。 3.采用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟,研究了无定形SiO2表面及狭缝对简单Lennard-Jones流体行为的影响。同时为了了解表面曲率和原子对吸附性质的影响,本文也模拟了流体在富氧的方石英(β-cristobalite)晶体表面形成的狭缝中的行为。我们采用球形Lennard-Jones CO2作为测试分子。在模拟中,考察了不同温度、缝宽、表面结构和性质对吸附性能的影响。研究的温度包括:T*=1.025、T*=1.501、T*=1.629;孔宽包括:10?、30?、50?。同时也统计得到了吸附/脱附等温线,密度分布,平均相互作用能,表面结构和最小势能分布。结果表明,迂回滞后线出现在低温(T*=1.025),较宽的狭缝孔中;表面密度分布和能量分布是一致的。对比密度分布,能量分布,表面结构图发现密度较小,能量较大的位置对应于无定形二氧化硅表面上