本文關(guān)鍵詞：新型自具微孔高分子薄膜中氣體輸運行為和分離性能的分子模擬研究

  更多相關(guān)文章： 分子動力學(xué)模擬 蒙特卡洛模擬 自具微孔聚合物 熱重排 氣體分離

【摘要】：氣體膜分離技術(shù)是一種新型綠色分離技術(shù),具有分離效率高、操作簡單、能耗低、綠色無污染等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥食品、生物化學(xué)、能源環(huán)保等領(lǐng)域。高分子聚合物膜具有較好的分離性能、優(yōu)良的機械性能和物理化學(xué)性能,因此成為常用的氣體分離膜材料。通常,聚合物膜的滲透性和選擇性存在相互制約的關(guān)系,即滲透性增加,則選擇性降低,這就是所謂的Trade-off效應(yīng)。制備出兼具高滲透性和高選擇性的高分子氣體分離膜,對提高氣體分離效率和擴大應(yīng)用范圍有著非常深遠(yuǎn)的影響。自具微孔聚合物(PIMs)分子中含有一個“螺中心”(兩個環(huán)共用一個原子),具有非平面結(jié)構(gòu),分子剛性大。因此,PIMs膜中高分子主鏈不能自由轉(zhuǎn)動,阻礙了分子鏈間的有效堆積,導(dǎo)致膜內(nèi)部形成連續(xù)的微孔,空穴較多,分子結(jié)構(gòu)松散,可使PIMs有可能在保持選擇性的前提下,提高氣體的滲透率。本文以微孔聚酰亞胺膜(PIM-6FDA-OH)和其熱重排產(chǎn)物聚苯并惡唑(PIM-PBO)膜為研究對象,使用分子動力學(xué)(MD)和巨正則系綜蒙特卡洛(GCMC)模擬方法研究四種不同氣體(N2、O2、CO2、CH4)分別在兩種膜中的溶解、擴散行為。從本質(zhì)上闡明自具微孔聚合物PIMs膜結(jié)構(gòu)對多種小分子氣體的輸運微觀過程、作用機理和主要控制因素的影響,揭示了結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,總結(jié)規(guī)律,優(yōu)化高分子氣體分離膜的吸附性、滲透性和選擇性等特征指標(biāo),為實驗合成和應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)和指導(dǎo),事半功倍,可節(jié)省大量的人力物力。首先,通過計算自由體積分?jǐn)?shù)、鏈間距、廣角X射線衍射、回轉(zhuǎn)半徑等典型熱力學(xué)性質(zhì)表征高分子膜的形貌特點。結(jié)果表明PIM-6FDA-OH和PIM-PBO膜的鏈間距均比普遍常用的聚酰亞胺膜大,因為PIMs中“螺中心”的存在,剛性大且扭曲的分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致膜內(nèi)空穴增多,分子結(jié)構(gòu)松散。而且,PIM-PBO膜的自由體積分?jǐn)?shù)大于PIM-6FDA-OH膜,孔隙率更高,氣體輸運通道更多,這主要是因為后者的分子內(nèi)氫鍵多使其結(jié)構(gòu)排列相對較緊湊,自由體積較小。因此,可證明熱重排是修飾和改性高分子膜材料的有效手段之一。其次,分析并對比了四種氣體分別在兩種PIMs膜中的溶解度系數(shù)和擴散系數(shù)。溶解度系數(shù)的計算值與實驗結(jié)果一致,溶解性和臨界溫度的關(guān)系也符合公認(rèn)的經(jīng)驗公式,表明模擬系統(tǒng)與實際系統(tǒng)相近,模擬結(jié)果可信。針對兩種膜,氣體溶解度系數(shù)大小順序均為CO2CH4O2N2。CO2的溶解度系數(shù)最大,是因為它與聚合物之間的相互作用強度最大。而PIM-6FDA-OH與PIM-PBO膜對比,盡管后者的自由體積較高,但是氣體在前者中的溶解度較大,因為氣體溶解度受到膜自由體積和氣體-聚合物相互作用的共同影響,兩者之間存在競爭關(guān)系,而本論文研究體系中氣體與聚合物之間的相互作用效應(yīng)的影響占主導(dǎo)地位。四種氣體在兩種PIMs膜中的擴散系數(shù)大小順序均為O2CO2N2CH4。擴散系數(shù)與氣體分子直徑有關(guān),氣體分子直徑越小,則擴散系數(shù)越大,其中CO2例外。因為CO2與膜分子的相互作用強度大,故導(dǎo)致擴散速率減小,而且CO2直線結(jié)構(gòu)也可能阻礙其他CO2氣體分子同時進(jìn)入膜內(nèi)。針對同一種氣體分子的擴散,PIM-PBO膜由于具有更大的自由體積,更松散的結(jié)構(gòu),提供了更多的氣體輸運途徑,因此使氣體分子具有更大的擴散系數(shù)。最后,根據(jù)溶解度系數(shù)和擴散系數(shù)計算了氣體的滲透系數(shù)和滲透選擇性,CO2具有高滲透性,N2和CH4的滲透性較低,所以PIM-6FDA-OH和PIM-PBO對CO2/CH4、CO2/N2具有高選擇性,是理想的CO2/CH4、CO2/N2分離膜材料。
【關(guān)鍵詞】：分子動力學(xué)模擬 蒙特卡洛模擬 自具微孔聚合物 熱重排 氣體分離
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ051.893
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 緒論12-21
• 1.1 氣體分離膜的研究發(fā)展現(xiàn)狀12-13
• 1.2 氣體膜分離機理13-14
• 1.3 氣體分離膜的應(yīng)用14-16
• 1.3.1 氫氣的回收利用14-15
• 1.3.2 空氣分離15
• 1.3.3 有機蒸汽的凈化及回收15-16
• 1.3.4 天然氣分離16
• 1.4 氣體分離膜常用的高分子材料16-19
• 1.4.1 聚酰亞胺材料16-17
• 1.4.2 聚砜材料17-18
• 1.4.3 聚硅氧烷材料18
• 1.4.4 自具微孔聚合物18-19
• 1.5 分子模擬在氣體分離過程中的應(yīng)用19
• 1.6 本文的研究目的和研究意義19-21
• 第二章 分子模擬技術(shù)21-28
• 2.1 分子模擬方法21-25
• 2.1.1 分子動力學(xué)21-22
• 2.1.2 蒙特卡洛方法22
• 2.1.3 模擬系綜22-23
• 2.1.4 分子力場23-24
• 2.1.5 能量最小化24
• 2.1.6 非鍵截斷距離24-25
• 2.1.7 周期性邊界條件25
• 2.2 溶解度系數(shù)25-26
• 2.3 擴散系數(shù)26-27
• 2.4 滲透系數(shù)27
• 2.5 自由體積27-28
• 第三章 PIM-6FDA-OH、PIM-PBO膜的建立及表征28-39
• 3.1 PIM-6FDA-OH、PIM-PBO膜的建立28-29
• 3.2 PIM-6FDA-OH、PIM-PBO膜的優(yōu)化29-33
• 3.3 PIM-6FDA-OH、PIM-PBO膜的性質(zhì)分析33-38
• 3.3.1 內(nèi)聚能密度(CED)33
• 3.3.2 密度和自由體積分?jǐn)?shù)33-34
• 3.3.3 回轉(zhuǎn)半徑34-35
• 3.3.4 廣角X射線衍射（WXAD）35-36
• 3.3.5 徑向分布函數(shù)(RDF)36-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 第四章 氣體小分子在PIM-6FDA-OH、PIM-PBO膜中輸送行為和分離性能的模擬研究39-50
• 4.1 溶解性能39-42
• 4.2 擴散性能42-48
• 4.3 滲透性和選擇性48-49
• 4.4 小結(jié)49-50
• 結(jié)論50-52
• 參考文獻(xiàn)52-62
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單62-63
• 致謝63

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 金少鴻,經(jīng)潔;氨芐青霉素聚合物的研究——Ⅱ.氨芐青霉素中聚合物的含量測定[J];抗生素;1987年04期

2 任啟生;黃文強;何炳林;;一種新的聚合物固載的1,3-二醇的合成及其對二醛的單保護(hù)性能[J];化學(xué)學(xué)報;1989年08期

3 張恒;周志彬;聶進(jìn);;離子液體聚合物的研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2013年05期

4 金書文;;二氧化碳基聚合物具有發(fā)展?jié)摿J];上�；�;2007年10期

5 ;有機合成中聚合物試劑的應(yīng)用[J];有機化學(xué);1976年04期

6 吳文鑲,李志偉,楊更亮,李莉,張國慶,陳義;三唑醇分子烙印聚合物的吸附特性[J];河北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2004年06期

7 ;液態(tài)羧基聚丁二烯聚合物的新作用[J];橡膠參考資料;1975年09期

8 田付強;楊春;何麗娟;韓柏;王毅;雷清泉;;聚合物/無機納米復(fù)合電介質(zhì)介電性能及其機理最新研究進(jìn)展[J];電工技術(shù)學(xué)報;2011年03期

9 白樺;巫國平;熊玉卿;張莉;郭云;常夢潔;張浩力;;基底誘導(dǎo)聚合物相分離制備高度有序圖形的研究[J];真空與低溫;2009年02期

10 ;光纖用新型聚合物[J];化工文摘;2001年10期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 左明明;劉天晴;;耐高礦化度超吸水聚合物的制備與表征[A];中國化學(xué)會第十四屆膠體與界面化學(xué)會議論文摘要集-第1分會：表面界面與納米結(jié)構(gòu)材料[C];2013年

2 丁娉;劉波;楊苗;彭博;潘春躍;鄒應(yīng)萍;;2,7-咔唑與5,6-二辛氧基二噻吩苯并噻二唑低能隙聚合物的合成及其光伏應(yīng)用[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

3 連慧琴;柳海蘭;金榮虎;張南哲;崔香蘭;金星華;柳樂仙;韓順玉;崔秀國;;新型萘并萘醌光致變色聚合物[A];2005年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集[C];2005年

4 周持興;俞煒;李潤明;楊凱;周平;;聚合物相容、相分離與復(fù)合相形態(tài)的流變分析研究[A];中國化學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會第九屆全國流變學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2008年

5 王力新;蔡東東;湯昌泉;陳善慈;尹志剛;鄭慶東;;含二甲酰亞胺官能團(tuán)的窄帶隙聚合物合成及其光伏特性[A];中國化學(xué)會第29屆學(xué)術(shù)年會摘要集——第17分會：光電功能器件[C];2014年

6 張馨月;賀泳霖;王亞培;;基于聚合物溶脹構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)[A];中國化學(xué)會第29屆學(xué)術(shù)年會摘要集——第18分會：超分子組裝與軟物質(zhì)材料[C];2014年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 沈佳;塑料降解是否可行[N];中國包裝報;2005年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 杜世萱;低維C_（36）聚合物的理論研究[D];北京師范大學(xué);2002年

2 張彥峰;基于響應(yīng)性聚合物的超分子組裝及功能材料制備[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

3 馬莉;環(huán)境敏感性聚合物的合成及響應(yīng)性溶液組裝研究[D];北京化工大學(xué);2013年

4 張海全;系列七元內(nèi)環(huán)聯(lián)苯單體及聚合物的合成，，電子結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的研究[D];吉林大學(xué);2004年

5 陽俊;新型芳雜環(huán)聚合物及其金屬配合物的設(shè)計合成與磁性能研究[D];浙江大學(xué);2008年

6 劉昌華;聚（4-乙烯吡啶）及其衍生物與天然高分子復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能研究[D];武漢大學(xué);2004年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 于淼;咔唑基微孔聚合物的合成及其二氧化碳俘獲性能研究[D];陜西師范大學(xué);2015年

2 王海青;含動態(tài)脲鏈的聚氨酯熱修復(fù)性能的研究[D];浙江理工大學(xué);2016年

3 李如玉;含噻吩/芴/苯片段半導(dǎo)體材料的制備及其性能研究[D];華中師范大學(xué);2014年

4 劉霞;攪拌對聚合物多層膜和納米線的界面組裝的影響[D];東北大學(xué);2014年

5 李婷;新型自具微孔高分子薄膜中氣體輸運行為和分離性能的分子模擬研究[D];北京理工大學(xué);2016年

6 姚姝文;超交聯(lián)微孔聚合物的制備及性能研究[D];陜西師范大學(xué);2014年

7 李妍;雙光子熒光有機微孔聚合物的合成與性能研究[D];燕山大學(xué);2012年

8 單錦宇;芳香胺及酚類衍生物在二氧六環(huán)中的酶催化聚合[D];鄭州大學(xué);2001年

9 徐小涵;萘酚吡喃接枝含氫硅油光致變色聚合物材料的合成與光學(xué)性質(zhì)的研究[D];東北師范大學(xué);2013年

10 袁柱良;新型藍(lán)光電致發(fā)光聚合物及取向技術(shù)的研究[D];湘潭大學(xué);2006年

本文編號：693265