本文選題：滲透汽化　切入點：分子模擬　出處：《北京化工大學》2017年碩士論文

【摘要】：有機溶劑的脫水及回收在精細化工,醫(yī)藥化工,日用化工及新能源等領域是非常重要的,傳統(tǒng)上采取精餾,萃取或者分子篩等技術來達到分離有機物和水的目的。作為新的膜分離技術,滲透汽化現(xiàn)在已經(jīng)迅速發(fā)展并成為高效的產(chǎn)業(yè)化分離技術。從分子水平上研究不同基團及聚合物對膜分離性能的影響對設計特定功能和性質的滲透汽化膜至關重要。通過在分子層面上研究小分子在膜上的吸附及擴散,可以更好的在微觀角度了解滲透氣化膜溶解吸附機理。本文使用分子模擬軟件Materials Studio,主要采用巨正則蒙特卡洛法以及分子動力學法,主要針對研究聚合物二甲基硅氧烷滲透汽化膜改性及添加新材料(ZIF,COF)對有機物的水溶劑分離性能的影響。主要工作如下:1、研究3%糠醛的水溶液在PDMS膜與PDMS/VTES膜中的溶解擴散情況。發(fā)現(xiàn)當PDMS:VTES=1: 1即引入乙烯基量是Si的摩爾量的一半時,膜的自由體積增加為原PDMS膜的兩倍,聚合物鏈跨鏈距離由原先的7.05埃變?yōu)?.59埃,這些都是有利于小分子擴散的因素。通過MSD曲線斜率可以看出糠醛在vinyl:Si=1/2的膜中擴散最快,模擬糠醛和水的吸附發(fā)現(xiàn),膜中引入乙烯基的量越多,糠醛的吸附量越大,而水幾乎不變。最后實驗發(fā)現(xiàn)vinyl:Si=1/2的膜的選擇性為49.85,遠大于純PDMS膜的30.67,證實了前面模擬結論。2、由于具有較好的熱力學穩(wěn)定性,靈活的網(wǎng)絡結構和超疏水性,ZIF材料已經(jīng)被很多研究者運用到構建以PDMS為基礎的混合基質膜中。本課題主要運用動力學模型,研究各種ZIF結構對丁醇的吸附性能的差異以及ZIF材料在汽油脫硫方面的應用。結果表明ZIF-3,ZIF-6和ZIF-8對丁醇的具有較好的吸附性能,且吸附量遠遠大于PDMS對丁醇的吸附。在對噻吩/苯/異辛烷模擬方面,發(fā)現(xiàn)ZIF-3, ZIF-6, ZIF-8對噻吩和苯的吸附量均高于對異辛烷的吸附量,但是在中高壓下,異辛烷在ZIF-8中幾乎不吸附,這一點上要優(yōu)于ZIF-3和ZIF-6。3. COF-300具有大孔洞,疏水性的特點,預期添加到PDMS膜中會很好的改善膜對有機物的分離效果。通過分子模擬的方法研究了COF-300材料對丁醇/水的吸附擴散性能以及汽油脫硫方面的應用,結果表明COF-300對丁醇的吸附性能不僅遠遠高于PDMS,而且要比ZIF材料更好一些,雖然水的擴散速率要比丁醇的擴散速率增加更大,但是總體上,COF-300對丁醇/水的分離性能要好與PDMS。在對噻吩/苯/異辛烷吸附方面,發(fā)現(xiàn)COF-300對三種組分單獨吸附時吸附量均很高,但是三種組分同時吸附時,異辛烷會隨著總壓的增加而急劇下降,在中高壓區(qū)幾乎吸附量為零,證明可以有效的在異辛烷中分離出噻吩和苯。
[Abstract]:Dehydration and recovery of organic solvents are very important in the fields of fine chemicals, pharmaceutical chemicals, daily chemicals and new energy. Traditionally, distillation, extraction or molecular sieve are used to separate organic matter and water.As a new membrane separation technology, pervaporation has developed rapidly and become a highly efficient industrial separation technology.It is very important to study the effects of different groups and polymers on membrane separation performance at molecular level for the design of pervaporation membranes with specific functions and properties.By studying the adsorption and diffusion of small molecules on the membrane at the molecular level, the mechanism of dissolution and adsorption of permeable gasification membrane can be better understood from the microscopic perspective.In this paper, we use the molecular simulation software Materials Studio, mainly using the grand regular Monte Carlo method and the molecular dynamics method.The effect of polymer dimethylsiloxane pervaporation membrane modification and the addition of a new material, ZIFCOF, on the water solvent separation of organic compounds was studied.The main work is as follows: 1. The dissolution and diffusion of 3% furfural aqueous solution in PDMS and PDMS/VTES films are studied.It is found that the free volume of the film increases by twice as much as that of the original PDMS film, and the transchain distance of the polymer chain changes from 7.05 to 7.59A, which is beneficial to the diffusion of small molecules, when the amount of vinyl is half of Si when the ratio of PDMS: VTE is 1: 1, which is beneficial to the diffusion of small molecules.The slope of MSD curve shows that furfural diffuses fastest in the membrane of vinyl:Si=1/2. The simulated adsorption of furfural and water shows that the more vinyl is introduced into the membrane, the larger the adsorption capacity of furfural is, but the water is almost unchanged.Finally, it was found that the selectivity of vinyl:Si=1/2 membrane was 49.85, which was much higher than that of pure PDMS membrane.Flexible network structure and superhydrophobic ZIF materials have been used by many researchers to construct PDMS based mixed matrix membranes.In this paper, the kinetics model is used to study the difference of the adsorption properties of butanol by various ZIF structures and the application of ZIF materials in gasoline desulfurization.The results show that ZIF-3H ZIF-6 and ZIF-8 have better adsorption performance for butanol, and the adsorption capacity is much larger than that of PDMS for butanol.COF-300 has the characteristics of large pores and hydrophobicity. It is expected that adding it to the PDMS membrane will improve the separation effect of organic matter.The adsorption and diffusion properties of butanol / water and the application in gasoline desulfurization of COF-300 were studied by molecular simulation. The results showed that the adsorption of butanol by COF-300 was not only much higher than that of ZIF, but also better than that of ZIF.Although the diffusion rate of water is higher than that of butanol, the separation performance of COF-300 for butanol / water is better than that of PDMS.It is proved that thiophene and benzene can be effectively separated from isooctane.
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ028.8

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本文編號：1726920