分子模拟的分析醇水在mfi沸石膜中渗透时吸附和扩散现象

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1、摘要本文主要采用巨正则蒙特卡洛法(GCMC)、平衡分子动力学方法(EMD)和量子力学方法研究了水、甲醇、乙醇及它们的混合物在MFI沸石膜中的吸附与扩散现象。分子力学和分子动力学部分主要采用COMPASS力场，量子力学部分主要采用密度泛函理论(DFT)方法。通过模拟得到的自扩散系数与吸附热值和实验值比较，确定了模拟参数和模拟方法后，我们以乙醇／水通过silicalite沸石膜的渗透分离为研究对象，分析了乙醇、水单组分及混合情况下的吸附等温线，吸附位，和不同浓度下的扩散系数变化，各组分扩散时的相互影响等情况，从分子水

2、平解释了silicalite沸石膜的疏水性质。在吸附与扩散模拟的基础上，我们又结合渗透理论，计算了纯水、乙醇在silicalite沸石膜中渗透量随活度的变化，得到了的结论与实验结果相吻合。接着，我们又用分子动力学方法，从分子水平研究了水，甲醇及二组分混合物在MFI沸石膜中渗透时的扩散现象。在这部分计算中，我们用铝原子取代silicalite沸石骨架中T2位的部分硅原子，作为H．ZSM．5的结构模型，并研究了甲醇、水在silicalite和H-ZSM-5中的不同扩散现象。我们又分析了甲醇、水及二组分在H．ZSM．5

3、中扩散时的位移和时间关系，以及通过分析分子闻径向分布函数，来解释了浓度及温度变化，对扩散组分分子间形成氢键情况的影响。最后，我们又从量子力学的角度出发，利用密度泛函方法，研究了水分子在H-ZSM．5三种不同孔道中吸附前后的结构变化，Mulliken电荷变化，及振动频率等变化，得到水分子在H-ZSM．5的Br觫sted酸位吸附后，电子由水分子向沸石骨架转移，并且水分子在三种孔道中的吸附热大小为：交叉孔道>直孔道>扭曲孔道。关键词：分子模拟；吸附；扩散AbstractGrandCanonicalMonteCarlo(

4、GCMC)，EquilibriumMolecularDynamics(EMD)andQuantumMechanicswereusedtoinvestigatethesorptionanddiffusionbehaviorofwater,methanol，ethanolandtheirmixtBresinMFImembranes．WeusedCOMPASSforcefieldinMolecularMechanicsandMolecularDynamicssimulation,andusedDensityFuncti

5、onalTheoryfDFr)methodinQuantumMechanicssimulation．日坞permeationofethanol／waterthroughthesiliealitemembranewastakenas盟exampletoanalyzetheadsorptionisothermsandtheadsorptionsitesofethanol,waterandtheirmixturesbyusingtheparametersweobtained．Theeffectofconcentrati

6、onondiffusioncoefficientswasstudiedbysimulation．Inaddition,weexplainedthehydrophobicityofthesiliealitemembraneonmolecularlevel．Basedontheadsorptionanddiffusionsimulations,weusedthepermeationtheorytoanalyzethepermeabilityofpurewaterandethanolatdifferentactivit

7、y．Then,weusedMolecularDynamicssimulationtoinvestigatethediffusion姚viorofwater)methanolandtheirmixturesinMFImembranes．Inthiscalculation,AIsubstitutionswerecarriedoutatseveralT2sitesinthesilicalitesimulationcell，andwethusobtainedtheH-ZSM-5structuremodel．Weanaly

8、zedthedifferentdiffusionbehaviorofwater,methanolinthesilicaliteandH—ZSM一5，andtheirdisplacementsintheH-ZSM一5asafunctionofthesimulationtime．Inaddition,weexplainedtheeffectofconcentrationand