【摘要】：隨著化工工業(yè)的不斷發(fā)展環(huán)境問題變得日益嚴(yán)峻,每天產(chǎn)生大量具有放射性的惰性氣體,存在于建筑材料中的氡已經(jīng)成為了室內(nèi)空氣中的一個重要的污染物,如果不經(jīng)過處理會對環(huán)境造成巨大的污染,嚴(yán)重危害人們的身體健康。然而惰性氣體具有很多的工業(yè)應(yīng)用尤其是高純度的惰性氣體,在化工工業(yè)、醫(yī)學(xué)、尖端科學(xué)領(lǐng)域以及日常生活中都具有重要應(yīng)用,例如,高純度Xe非常昂貴,超過了$5,000 kg-1,很多研究者致力于尋找一種低成本技術(shù)從惰性氣體混合物中吸附收集Xe。然而目前分離惰性氣體常用的方法以及吸附材料都存在很大的不足,不能夠滿足高效吸附分離特定氣體的效果,而且在實驗室中關(guān)于放射性氣體Rn的吸附實驗也受到了實際實驗條件的局限。在本文中我們主要預(yù)測的是多孔納米材料對惰性氣體的吸附分離能力,從而指導(dǎo)此類實驗的實施,以及為工業(yè)應(yīng)用提供一個初步的指引。第一個工作是,利用蒙特卡羅(GCMC)計算方法分別計算了氣體Xe在單一狹縫孔中的吸附等溫線,結(jié)合積分吸附方程從理論上表征出實驗中已經(jīng)合成的氮摻雜多孔碳材料(Carbon-ZX)的孔徑分布。然后利用巨正則系綜GCMC模擬方法預(yù)測該材料對純組分氣體Ar、Kr、Xe和Rn的吸附等溫線,同時計算它們各自的亨利常數(shù)及吸附熱數(shù)值,發(fā)現(xiàn)都滿足RnXeKrAr的順序,說明Carbon-ZX與氣體Rn和氣體Xe之間有很強(qiáng)的范德華作用力,表現(xiàn)出很大的吸附潛能。隨后我們預(yù)測了Carbon-ZX對混合氣體Xe/Kr、Xe/Ar和Rn/N2的吸附和分離能力。結(jié)果表明,在相同的條件下,Carbon-ZX對于混合氣體Xe/Kr、Xe/Ar的選擇性明顯高于其它的MOFs材料,也進(jìn)一步確認(rèn)了亨利常數(shù)和吸附熱的準(zhǔn)確性。我們計算Rn/N2的混合物時研究了 7種不同Rn的摩爾含量的Rn/N2混合氣體。通過觀察Rn的摩爾濃度與選擇性的關(guān)系發(fā)現(xiàn)它們之間呈現(xiàn)倒U型曲線關(guān)系,而且當(dāng)Rn的摩爾濃度小于0.001時,Carbon-ZX對氣體Rn表現(xiàn)出了很高的選擇性數(shù)值可達(dá)到900～1200。本項工作成功地做到通過模擬的手段再現(xiàn)出實驗中合成的納米材料,并且對其進(jìn)行惰性氣體的吸附分離能力預(yù)測,發(fā)現(xiàn)該材料是在吸附分離Xe/Kr和Xe/Ar混合氣體中氣體Xe以及Rn/N2混合氣體中氣體Rn都具有很大的潛能。第二個工作也是在巨正則系綜中,利用蒙特卡洛分子模擬方法預(yù)測在常溫常壓下,模擬23種不同類型的多孔金屬骨架材料(MOFs)對Rn/N2和Rn/O2兩種混合氣體中氣體Rn的吸附分離能力,通過分析比較氣體Rn的選擇性計算結(jié)果,篩選出4種表現(xiàn)優(yōu)異的材料ZIF-12、HKUST-1、IRMOF-62和ZIF-11。然后利用這四種MOFs材料對不同摩爾濃度Rn的Rn/N2和Rn/02混合氣體做進(jìn)一步的吸附計算。發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合氣體中Rn的摩爾濃度較低時,這四種MOFs對氣體Rn表現(xiàn)出較高的選擇性,說明這幾種材料對于捕集低濃度的氣體Rn具備很大的潛能,尤其是材料ZIF-12。當(dāng)氣體Rn的摩爾濃度為0.0001時,對于Rn/N2和Rn/O2混合氣體中Rn的選擇性分別為～2800和～1750。我們可以看到,材料ZIF-12對于氣體Rn的分離能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三種材料,說明該材料是一種對于凈化室內(nèi)空氣中監(jiān)測室內(nèi)放射性氣體Rn非常具備潛力的材料。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TQ424
【圖文】：

發(fā)現(xiàn)了新的類金剛石材料：金剛塊［１１］、ＴＮＤ－１、ＴＮＤ－２［１２］。金剛?cè)餐瑯邮且越饎偸腻义狭蠟榛A(chǔ)，將其中的碳－碳單鍵替換為三鍵，而對于材料ＴＮＤ－１和ＴＮＤ－２則是分別將逡逑金剛?cè)埠徒饎偸?jié)點的碳原子替換為炔鍵的四面體。通過圖１－４可以看到這幾種材料逡逑的構(gòu)型圖。這幾種材料對于氣體Ｃ０２和ＣＨ４都具有很強(qiáng)的吸附能力，同時具備很高的逡逑選擇性。逡逑—}r逡逑■邐＼邐Ｉ邐ｉＤｉｍｘｍｔｄｙｉｍ逡逑圖１－４邋ＰＡＦ－１、金剛?cè)�、ＴＮＤ－１和ＴＮＤ－２的結(jié)構(gòu)圖逡逑Ｆｉｇ．１－４邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｂｏｕｔ邋ＰＡＦ－１，邋ｄｉａｍｏｎｄｙｎｅ，邋ＴＮＤ－１邋ａｎｄ邋ＴＮＤ－２逡逑１．３惰性氣體的吸附方法逡逑由于惰性氣體本身具有的特殊性質(zhì)，使其很難通過化學(xué)方法進(jìn)行吸附及存儲，目逡逑前，較多利用物理方法進(jìn)行吸附分離。目前分離惰性氣體混合氣體的常見方法主要有：逡逑低溫分餾法、溶劑吸附法、固體吸附法、膜分離法，其中固體分離法應(yīng)用最為廣泛，逡逑常用的固體吸附材料為：活性炭、沸石、金屬有機(jī)骨架材料等。逡逑６逡逑

根據(jù)公式我們可以看出，第／個粒子所受的合力＾可以通過求解ｆ／（ｒｐ得到。逡逑分子動力學(xué)最初只是用于理論物理學(xué)的研宄，而現(xiàn)在以及廣泛的應(yīng)用于物理化學(xué)、逡逑生物科學(xué)以及材料科學(xué)等多個領(lǐng)域。ＭＤ模擬的步驟可以簡化為圖２－１，首先是讀入逡逑參數(shù)，對模型進(jìn)行初始化，確定初始位置和初始速度，計算粒子間的作用力，求解牛逡逑頓運動方程，進(jìn)行原子的移動，如此往復(fù)，最終系統(tǒng)達(dá)到平衡。逡逑１６逡逑

邐第三章石墨烯擬合實驗材料吸附分離惰性氣體分布對比可以從表３－１看出。從圖３－１邋（ｂ）可以看出，氮原子取代石墨烯板上的碳子并隨機(jī)的分布于石墨烯板上，處于不同位置的氮原子類型也是不一樣的：（１）吡氮，（２）石墨氮，（３）吡嗪氮。由于在模擬過程中原子被凍結(jié)在晶胞內(nèi)，因此原型明確地描述并被視為一個剛性結(jié)構(gòu)。逡逑ｂ

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 賈超;原鮮霞;馬紫峰;;金屬有機(jī)骨架化合物(MOFs)作為儲氫材料的研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2009年09期

本文編號：2778371