【摘要】：隨著工業(yè)化的快速發(fā)展,能源與環(huán)境問題日益突出。傳統(tǒng)能源(如煤、石油)的燃燒和使用常常會排放大量的SO2、CO2等有害氣體,對人類和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。而且二氧化碳的過量排放還會引起溫室效應(yīng)等問題,因此減少SO2和CO2等氣體的排放是當(dāng)前亟待解決的問題。另外,化石燃料的短缺及其大量燃燒帶來的環(huán)境污染,激發(fā)了人們積極開發(fā)新的能源,其中H2和CH4是人們廣泛研究的清潔能源。如何通過簡單的方法獲得純凈的H：和CH4也是重要的課題。隨著人們對能源需求的增加,頁巖油等非常規(guī)資源也逐步進(jìn)入人們的視野,理解地質(zhì)條件下頁巖油的吸附擴(kuò)散對于有效的開采具有重要意義。本論文采用分子模擬方法研究了多種氣體在新型多孔納米材料中的吸附與分離,旨在為實(shí)驗(yàn)提供微觀機(jī)理及實(shí)際的指導(dǎo)。本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：1.采用巨正則蒙特卡羅(GCMC)模擬方法系統(tǒng)地研究了多孔共價有機(jī)材料(COMs)對H2S和S02的吸附與分離能力。發(fā)現(xiàn)PAF-302對H2S和S02的吸附量最大,最大超額吸附量分別達(dá)到了51.94 mmol/g和50.69 mmol/g,遠(yuǎn)高于其他材料,原因是PAF-302的BET比表面積和孔體積都很大。COMs材料對H2S和S02的最大超額吸附量的大小順序?yàn)镻AF-302 COF-102 COF-10 COF-5 COF-8 COF-6,這與材料孔體積的大小順序是一致的。對于氣體混合物,我們發(fā)現(xiàn)二維COMs材料的吸附選擇性明顯高于三維COMs材料,尤其是COF-6由于具有較小孔徑,對于硫化物的氣體混合物的選擇性明顯高于其他材料。簡言之,該研究表明PAF-302是優(yōu)秀的存儲H2S和S02的材料,COF-6是良好的分離含硫氣體混合物的材料。2.采用GCMC模擬298 K氙氣在MOFs和COMs材料中的吸附與分離。發(fā)現(xiàn)PAF-302具有最大的的超額重量吸附量(4009mg/g)和最大的超額體積吸附量(216 V(STP)/V),說明PAF-302是中壓下存儲Xe的良好材料。Xe在中壓下的吸附量的大小順序?yàn)镻AF-302UMCM-1IRMOF-1 Cu-BTCCOP-4 ZIF-8,這與可接觸表面積的大小順序完全一致,而且Xe在不同材料中的最大超額吸附量與材料的可接觸表面積成線性關(guān)系。各材料對Xe/N2的選擇性的大小順序?yàn)镃u-BTC ZIF-8 COP-4 IRMOF-1 UMCM-1 PAF-302,這與吸附熱的差值(DIH)的大小順序是一致的。Cu-BTC對Xe/N2的選擇性達(dá)到80,說明它是具有潛力的分離Xe/N2的材料。3.采用分子動力學(xué)模擬方法系統(tǒng)地研究了四種類金剛石材料對CO2/H2, CO2/N2, CO2/CH4,CH4/H2混合物的膜分離能力。結(jié)果表明金剛?cè)灿捎诰哂休^小的孔徑,對CO2/H2, CO2/N2, CO2/CH4和CH4/H2的混合物具有非常大的膜選擇性,遠(yuǎn)大于其他MOFs和COFs材料。綜合考慮滲透選擇性和滲透性,TND-2和金剛?cè)彩橇己玫姆蛛xC02/H2和C02/N2的材料。對于C02/N2,金剛?cè)埠蚑ND-2超過了Robeson上限。同時TND-2也適合CH4/H2的分離。對于CO2/CH4的分離,金剛?cè)驳奈竭x擇性和擴(kuò)散選擇性都傾向于C02,且金剛?cè)渤^了Robeson上限,表明金剛?cè)部赡苁橇己玫姆蛛xCO2/CH4的材料。4.基于吸附熱差(DIH)開發(fā)了一個計(jì)算納米多孔材料對混合氣體吸附選擇性的方程S(DIH)。在該方程中,只需要分別測量多孔材料對兩種組分的吸附量和零壓下的吸附熱就能計(jì)算出選擇性。通過與GCMC的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)該方程很好的預(yù)測各類多孔材料(MOFs, COMs等)在p=0-1 bar時對CH4與CO2混合物分離的選擇性。因此,新的S(DIH)方程可以作為一個有效的工具來預(yù)測低壓下多孔材料對CO2與CH4的分離,尤其是對于實(shí)驗(yàn)研究人員,只需要分別測量多孔材料對兩種組分(比如CO2, CH4, N2)的吸附量和零壓下的吸附熱就能計(jì)算出選擇性。簡單來說,新的S(DIH)可以作為一個有效的工具來篩選多孔材料用于氣體混合物分離。5.采用分子動力學(xué)方法研究了頁巖油在富含黏土礦物的頁巖中的擴(kuò)散性質(zhì)。我們采用蒙脫石作為頁巖的模型,辛烷作為頁巖油的模型,發(fā)現(xiàn)在層間距為2.8 nm時,頁巖油的自擴(kuò)散系數(shù)極低,隨著層間距的增加,辛烷的自擴(kuò)散系數(shù)可增加幾個數(shù)量級。這表明當(dāng)頁巖油從微孔流向介孔時,伴隨著密度下降,自擴(kuò)散系數(shù)會增加,非常有利于頁巖油氣的開采。然而微孔中的頁巖油是很難開采的。通過研究碳鏈長度對擴(kuò)散的影響,發(fā)現(xiàn)短鏈的油分子有利于開采。希望這些模擬結(jié)果可以為開發(fā)頁巖油提供有用的指導(dǎo)和重要的機(jī)理研究。
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【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ028

【參考文獻(xiàn)】

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1 ZOU Caineng;YANG Zhi;ZHU Rukai;ZHANG Guosheng;HOU Lianhua;WU Songtao;TAO Shizhen;YUAN Xuanjun;DONG Dazhong;WANG Yuman;WANG Lan;HUANG Jinliang;WANG Shufang;;Progress in China's Unconventional Oil & Gas Exploration and Development and Theoretical Technologies[J];Acta Geologica Sinica(English Edition);2015年03期

2 林緬;江文濱;李勇;易智星;張召彬;;頁巖油(氣)微尺度流動中的若干問題[J];礦物巖石地球化學(xué)通報;2015年01期

3 鄒才能;楊智;崔景偉;朱如凱;侯連華;陶士振;袁選俊;吳松濤;林森虎;王嵐;白斌;姚涇利;;頁巖油形成機(jī)制、地質(zhì)特征及發(fā)展對策[J];石油勘探與開發(fā);2013年01期

4 崔守鑫,胡海泉,肖效光,黃海軍;分子動力學(xué)模擬基本原理和主要技術(shù)[J];聊城大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2005年01期

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本文編號：2338763