多孔材料中的吸附和扩散

多孔材料科学的发展日新月异,各种各样的多孔材料,如活性炭、分子筛等,在现代化学工业中的应用越来越广泛。长期以来,人们对多孔材料上吸附和扩散的研究都有着浓厚的兴趣。理论的丰富与发展,实验技术的更新以及分子模拟技术的进步,使得该领域的研究更加欣欣向荣。 吸附和扩散对于多孔材料表征、吸附分离过程设计和催化（特别是催化动力学）研究等诸多领域都是十分重要的。本论文围绕相关领域进行了以下几个方面的研究: 结合二氧化碳（CO2）的吸附和多步吸附平衡（multiple-process adsorptionequilibrium,MPAE）模型,对活性炭进行了详细的表征。采用体积法,测量了压力至1个大气压,温度从195K到323K时,三种商业活性炭上CO2的吸附等温线。MPAE模型很好地描述了全部实验条件下CO2在活性炭上的吸附行为。解释了文献中Toth模型与Monte-Carlo方法模拟同一吸附体系时产生差异的原因,即可能由于非平衡状态时测量的吸附数据和Toth模型在低压时的校正作用所导致。MPAE模型拟合得到的饱和吸附量与77K时氮气吸附计算的孔体积一致,表明CO2在活性炭上具有很高的聚集效率,进一步说明CO2分子适合用于表征微孔活性炭材料。推导了体系的吸附热力学性质,如吸附平衡常数,吸附焓等。结果表明,随着吸附过程的进行,吸附势逐渐减小。MPAE模型非常好地阐述了CO2在活性炭上的孔填充（pore filling）过程,给出了活性炭详细的结构性质。实验结果和模型预测的一致性确证了这种方法的可行性。 温室气体如CO2、氧化亚氮（N2O）的危害引起了人们的广泛关注,通过吸附的方法来控制和降低大气中CO2和N2O的浓度是一种有效的方法。采用体积法,系统研究了CO2和N2O在不同活性炭上的平衡吸附。MPAE模型很好地拟合了全部实验条件下的吸附等温数据。对于低浓度的CO2和N2O,应使用微孔较多的活性炭来吸附:而对于高浓度的CO2和N2O的吸附,总孔容较大的活性炭则是更好的选择。 五氟氯乙烷（CFC-115）和五氟乙烷（HFC-125）的分离是一个重要的工业过程。目前工业上采用的是低温萃取精馏工艺,这种分离工艺投资大,能耗高。针对这一问题,研究了活性炭和沸石分子筛两类吸附剂对CFC-115和HFC-125的吸附和分离性能。精确测定了CFC-115和HFC-125在VAC系列活性炭和silicalite-1分子筛上的吸附等温线,Toth模型和双位Langmuir（Dual-site Langmuir,DSL）模型分别很好地拟合了两种吸附剂上二者的吸附行为,深入讨论了吸附热力学性质如吸附平衡常数、吸附热等。在单组分吸附等温线模拟的基础上,用理想吸附溶液（Ideal adsorbed solution,IAS）理论预测了两种吸附剂上CFC-115和HFC-125混合气体的吸附行为和对CFC-115的吸附选择性。结果表明,所研究的活性炭和silicalite-1分子筛对CFC-115和HFC-125混合气体均具有较好的分离效果,具有良好的工业应用前景。 沸石分子筛已广泛应用于化工生产过程,如催化裂解、烷烃异构化等。对于沸石分子筛扩散性能的研究一直都是热门的研究领域。实验上测量沸石扩散系数的技术和方法有许多,本文介绍了一种已成熟的,较为简单、实用的测量技术——零长柱（ZeroLength Column,ZLC）技术。阐述了ZLC技术的基本原理,重点介绍了本实验室自行搭建的一套ZLC装置,通过正丁烷/silicalite-1和乙烯/Kureha活性炭两个体系的测试,证明了所搭建的ZLC装置能够正常运行,且性能优异。