本文關(guān)鍵詞：MOFs對含低濃度瓦斯氣體選擇性吸附分離的分子模擬研究

  更多相關(guān)文章： 低濃度瓦斯 金屬有機(jī)骨架 理想吸附溶液理論 分子模擬 吸附分離

【摘要】：煤礦低濃度瓦斯(Coal Mine Methane,CMM)的濃縮富集是一個具有挑戰(zhàn)性的課題,吸附分離技術(shù)具有投資少、操作方便、能耗低等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用的關(guān)鍵在于吸附劑。金屬有機(jī)骨架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)以其豐富的結(jié)構(gòu)類型和吸附解吸特性可能成為未來吸附領(lǐng)域的最佳選擇。目前關(guān)于MOFs吸附分離CH4/N2混合氣體的性能研究,尤其是分離瓦斯氣體方面的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。本論文基于分子模擬方法、動力學(xué)模擬方法和理想吸附溶液理論方法(IAST),結(jié)合煤礦瓦斯中CH4含量較低的特點(diǎn),對MOFs中低濃度瓦斯的CH4濃縮富集進(jìn)行了研究,探索了瓦斯氣體在MOFs材料中的吸附、擴(kuò)散和分離機(jī)理。研究取得如下結(jié)果:(1)揭示了CH4和N2在不同MOFs中的吸附規(guī)律,即低壓下氣體分子優(yōu)先吸附在小孔徑的孔籠孔道中心及強(qiáng)吸附位附近,中等壓力下吸附量與比表面積呈線性關(guān)系,高壓下比表面積和孔容共同影響吸附量,吸附區(qū)域不斷擴(kuò)大,吸附主要發(fā)生在大孔徑的孔道中心。(2)通過研究等摩爾CH4/N2混合氣體在MOFs材料中的吸附與擴(kuò)散規(guī)律。指出IAST方法可以精確預(yù)測CH4/N2在MOFs中的吸附行為。相比傳統(tǒng)材料,MOFs對CH4/N2混合氣體表現(xiàn)出更好的分離能力。尤其是ZIF-7的CH4/N2選擇性最為突出,主要原因是ZIF-7中的孔徑尺寸大小與氣體分子大小相當(dāng),而孔徑大小對分離起主要作用。(3)研究發(fā)現(xiàn),吸附選擇性與吸附度(DAD)的倒數(shù)1/DAD有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,即兩種吸附組分在材料內(nèi)部的吸附熱之差越大、材料的孔隙度越小,其吸附度DAD則越大,指出DAD可以作為初步篩選用于分離CH4/N2混合物的MOFs材料的標(biāo)準(zhǔn)。(4)在模擬實(shí)際條件下(298 K和1000 kPa),ZIF-68膜可高效分離CH4/N2混合物,CH4/N2在ZIF-68中的吸附選擇性adsorpS、擴(kuò)散選擇性diffS和滲透選擇性permS分別為3.96,6.07和24.01;研究發(fā)現(xiàn)了吸附選擇性與MOFs材料的比表面積、孔徑、孔容結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系,其最佳分離選擇性的MOFs結(jié)構(gòu)性質(zhì)為:比表面積61~1000 m2/g,孔徑0.25~0.5nm,孔容0.1~0.5 cm3/g。(5)研究了溫度(273 K、298 K和323 K)、水分含量(1%H2O和5%H2O)及CO2對CH4/N2分離的影響。結(jié)果表明,MOFs對CH4/N2的選擇性隨著溫度升高而減小;水分含量的增加可使CH4/N2選擇性減小:水分子與CH4發(fā)生競爭吸附,導(dǎo)致CH4吸附量的減少,同時水分子為N2提供額外的吸附位,導(dǎo)致N2吸附量的增加;CO2對CH4/N2選擇性的影響有三種情況:在大多數(shù)MOFs中,CO2幾乎不影響CH4/N2的選擇性;在Cu-BTC、PCN-26和MIL-47中,隨著壓力升高,CH4對N2的選擇性影響開始顯著;CO2的存在提高了Pd(2-pymo)2和ZIF-68對CH4/N2混合物的分離性能。(6)探索了ZIF-68材料對抽采瓦斯和通風(fēng)瓦斯的吸附分離規(guī)律。結(jié)果表明,CH4對N2和O2的選擇性隨著壓力升高而增大;溫度和壓力分別為298 K和8000 kPa時,通風(fēng)瓦斯中CH4/N2與CH4/O2的吸附選擇性分別達(dá)到16.48和15.37。研究發(fā)現(xiàn)ZIF-68材料具有較高的CH4/N2選擇性,可以有效地從CMM中分離CH4,是一種具有分離潛力的吸附劑;發(fā)現(xiàn)了新的吸附位IV,即位于HPR孔籠的中心,吸附位IV有利于提高材料對CH4的吸附選擇性,由苯環(huán)組成的孔道對CH4具有很強(qiáng)的親和力,并提供更多的吸附位。同時表明IAST可以預(yù)測瓦斯氣體在ZIF-68中的吸附平衡。本文對瓦斯氣體在MOFs中的吸附分離規(guī)律進(jìn)行了研究,可為MOFs材料吸附分離的實(shí)驗(yàn)研究甚至是工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。另外相關(guān)研究成果發(fā)表一篇SCI論文。
【關(guān)鍵詞】：低濃度瓦斯 金屬有機(jī)骨架 理想吸附溶液理論 分子模擬 吸附分離
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-20
• 變量注釋表20-22
• 1 緒論22-40
• 1.1 研究背景及意義22-23
• 1.2 煤礦瓦斯抽采與利用現(xiàn)狀23-25
• 1.3 CH_4/N_2分離技術(shù)25-29
• 1.4 金屬有機(jī)骨架簡介29-33
• 1.5 分子模擬33-36
• 1.6 多組分氣體吸附的理想吸附溶液理論36-37
• 1.7 存在的主要問題37-38
• 1.8 研究內(nèi)容及方法38-40
• 2 MOFs材料中CH_4與N_2吸附的分子模擬研究40-56
• 2.1 引言40-41
• 2.2 計(jì)算模型和方法41-46
• 2.3 結(jié)果與討論46-55
• 2.4 本章小結(jié)55-56
• 3 MOFs材料中CH_4/N_2吸附與擴(kuò)散分離的分子模擬研究56-70
• 3.1 引言56-57
• 3.2 計(jì)算模型和方法57-58
• 3.3 結(jié)果與討論58-68
• 3.4 本章小結(jié)68-70
• 4 CH_4/N_2混合氣體中MOFs吸附甲烷的影響因素研究70-82
• 4.1 引言70
• 4.2 計(jì)算模型和方法70-73
• 4.3 結(jié)果與討論73-80
• 4.4 本章小結(jié)80-82
• 5 ZIF-68吸附分離低濃度瓦斯的分子模擬研究82-94
• 5.1 引言82
• 5.2 計(jì)算模型和方法82-84
• 5.3 結(jié)果與討論84-93
• 5.4 本章小結(jié)93-94
• 6 結(jié)論與展望94-97
• 6.1 主要結(jié)論94-95
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)95-96
• 6.3 研究展望96-97
• 參考文獻(xiàn)97-108
• 附錄 1108-110
• 附錄 2110-116
• 附錄 3116-120
• 作者簡歷120-123
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集123

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