探析高度非对称模型流体及纳米介孔材料内真实流体吸附的分子模拟

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1、北京化工大学博士学位论文高度非对称模型流体及纳米介孔材料内真实流体吸附的分子模拟姓名：曹达鹏申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：汪文川2002.3.1北京化工大学博士学位论文摘要本论文由两个相对独立的部分，即高度非对称模型流体的分子模拟和纳米介孔材料内真实流体吸附的分子模拟组成。(胶体化学是物理化学的一个重要的部分。它与化学工业中的塑料、橡胶、食品、造纸油漆等工业有着密切联系。另外它也是生物化学、医药学、农业科学、材料科学、环境科学等学科的重要理论基础。在胶体体系的研究中，研究者常常把高度非对称的硬球和查壁堡

2、型速佳作为胶体溶液的理想近似模型。因此俨第一部分，本文将对高度非对称模型流体进行模拟，并建立实用的状态方程，为开发更合理的流体的宏观模型提供了宝贵的‘实验数据’和模型框架。／／此外，纳米介孔材料及其限定空间内的流体构成了化工中的复杂体系。该复杂体系内流体分子表现出的丰富的相态和奇异的行为，是纳米介孔材料在化学工业及其他相关工业中广泛应用的重要原因。所以寸莅第二部分，本文对国际上已／经较好地模型化了的三种材料(即一维材料——McM_41分子筛，二维材料——活性炭，准二维材料——层柱纳米材料)和流体构成的复杂体系分别作

3、了较系统的考察。f对于每种材料，使用‘实验测定——分子模拟——理论分析’相结合的方法，就国际上热门的天然气的吸附存储以及四氯化碳的吸附回收进行了展开。该部分的研究为吸附剂的开发和新型材料的设计提供了有价值的依据。全文的主要内容和创新点如下：在传统MonteCarlo方法基础上，首次将一种高效的联接胞腔算法引入到高度非对称混合硬球流体的模拟中：和传统的MC方法相比，联接胞腔算法节省了大量的CPU运算时间，大大地提高了模拟效率。随后，本文对胶体极限条件下高度非对称硬球流体的情形作了模拟，得到了一系列有价值的描述流体微观

4、结构的模拟数据，检验了现有的四种状态方程，对改进现有状态方程进行了详细分析和探讨。为开发新的状态方程提供了宝贵的‘实验’数据。根据配位数模型的低密度和高密度边界条件建立了纯方阱流体配位数的预测模型。首次引入非对称条件下的硬球紧密填充理论，将纯方阱流体的配位数模i北京化工大学博士学位论文型(CNM)推广到了高度非对称的混合物情形。建立了非对称方阱混合流体的配位数模型。根据vanderWaals理论，从建立的新配位数模型导出了实用的CNM状态方程。另外，本文首次模拟了不同交互作用能下分子大小比高达8．0的非对称混合方阱

5、流体，得到了一批重要的模拟数据。用模拟所得的高度非对称方阱流体的数据，检验了三种配位数模型状态方程和一种二阶微扰状态方程。其中包括本文提出的新的配位数状态方程。结果表明本文提出的配位数状态方程优于其他二种配位数状态方程。虽然微扰方程一般较优，但是在近似胶体的情况下，本文提出的方程却更好。用美国Micromeritics公司生产的ASAP2010物理吸附仪测定了低温(77轴下N2在MCM．41分子筛中的吸附，得到了氮气在MCM-41分子筛中的吸附等温线以及表征MCM．41分子筛特征的BET比表面、BJH孔容和平均孔径

6、。在模拟计算中，用巨正则MC方法确定了一组合适的MCM-41分子筛的势能参数，该组参数为联系实验和模拟建立了桥梁。随后，在上面建立的实验和模拟的桥梁的基础上，用GCMC方法模拟了超临界甲烷以及常温下的CCh在MCM-41分子筛中的吸附情形。在理论分析中，引入密度泛函理论(DFT)，分析介孔中流体的结构和相态。研究表明DFT方法特别适合界面相对简单，吸附势能函数有明显解析式的限定空间流体的非均匀性表征。与GCMC方法相比具有计算速度快的优势。本研究所得到的MCM-41中的超临界甲烷和常温下cch的吸附结果与C,-CM

7、C方法基本～致，从而表明两种方法均是有效工具。也为研究介孔中限制流体的行为提供了多样化研究手段。．f根据常温下甲烷在活性炭中的吸附实验数据，首次用GCMC和统计积分方程(SIE)结合的方法求解了活性炭的孔径分布。该方法有效地表征了活性炭的几何非均匀性a得到活性炭的孔径分布之后，使用该活性炭模型预测了常温下四氯化碳的吸附回收情况。模拟表明该活性炭是一种较好的吸附回收四氯化碳的材料。对准二维新型介孔层柱材料进行了系统研究。采用柱子均匀分布在层板墙问堕模型表征了层柱纳米材料，并模拟了甲烷在该模型材料中的吸附及其相行为。秘

8、群j，、北京化工大学博士学位论文在低温下，观察到了流体在层柱孔中的毛细冷凝现象以及吸附等温线上的迂回滞线环。在以上理想模型的基础上，首次引入流体与层板墙间交互作用参数女加，建立了有效势能模型。根据77K温度下氯化锆中氮气的吸附实验数据，确定了流体和层板墙间的有效作用参数k。=0．65，从而使得该模型能有效地表征流体与层板墙问的相互作用。根据该有效势能模型，(