【摘要】：氣體分離膜技術于20世紀70年代成功實現(xiàn)工業(yè)化,具有投資低、操作靈活、占地少、運行穩(wěn)定、能耗低等優(yōu)點而受到廣泛關注。膜是氣體分離膜裝置的核心部件。工業(yè)上大規(guī)模用于氣體分離的膜材質以高分子材料為主,常見的高分子膜材料分為橡膠態(tài)聚合物和玻璃態(tài)聚合物。玻璃態(tài)聚合物制備的膜具有較好的選擇性而應用廣泛,但其滲透性較低。對玻璃態(tài)聚合物膜材料進行改性,提升氣體分離性能有利于促進膜材料的研究開發(fā)。本文利用分子模擬研究側基修飾聚醚酰亞胺(PEI)對CO_2、O_2、N_2和CH_4溶解度系數(shù)及擴散系數(shù)的影響。采用Materials Studio 2017構建PEI的堆積結構,對初始構型優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)聚合物鏈隨時間的演變出現(xiàn)兩種結果:緊密堆積與非緊密堆積。兩種堆積方式經(jīng)壓縮與釋放過程處理后得到最終構型。計算兩種堆積方式最終構型的密度、玻璃化轉變溫度及CO_2、O_2、N_2和CH_4的擴散系數(shù);并將結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證了模擬的PEI鏈緊密堆積更符合實際情形。采用Gaussian 09計算CO_2、O_2、N_2和CH_4與官能團原子的范德華表面穿透距離(結合Multiwfn對波函數(shù)分析及VMD的可視化功能)及它們與官能團之間弱相互作用的鍵能(需進行BSSE校正),根據(jù)計算結果選擇苯環(huán)結構作為側基基團且以醚氧鍵的連接方式對PEI進行修飾。當苯環(huán)或者聯(lián)苯作為側基基團修飾PEI時,CO_2、O_2、N_2及CH_4的溶解度系數(shù)和擴散系數(shù)都減小。當三蝶烯作為側基基團修飾PEI時,CO_2、O_2、N_2及CH_4的溶解度系數(shù)分別增加141.1%、43.3%、52.7%和37.2%;它們的擴散系數(shù)分別增加25.0%、37.9%、39.4%和88.9%。側基體積較小時,會對聚合物鏈形成的空隙進行填充而阻礙氣體的擴散且減小氣體的吸附位置;大側基進行修飾時,增加聚合物鏈之間的空隙為氣體擴散提供更多通道且增加氣體的吸附位置。進一步增加側基剛性,O_2、N_2及CH_4的溶解度系數(shù)及擴散系數(shù)都增大;CO_2與增加側基剛性的聚合物鏈之間弱相互作用較強,CO_2的溶解度系數(shù)增加顯著,相應的也對CO_2擴散產(chǎn)生較大的束縛,因而擴散系數(shù)有所降低。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ028.8

【參考文獻】

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本文編號：2659234