Supercritical Adsorption of Co2 on Porous Silica: Experiment and Simulation

摘要

本研究针对工业气体混合物(特别是含CO2的混合物)的分离,也针对多孔材料中催化剂或香精香料的高压负载,从实验和分子模拟两个层次研究高压CO2在二氧化硅材料(自己合成的Si-TEOS和工业产品Si-ZC305)上的吸附等温线,以便更好地理解自制的多孔纳米二氧化硅材料Si-TEOS的结构、特性对其负载客体分子的影响和将来对材料的改进。
　　 为此,提出并建立了带有高压石英弹簧装置和测高仪的重量法,用以研究获取CO2在二氧化硅材料上的吸附等温线。测得了40.3,51.2和60.3℃三个温度下从低压到高压的CO2在Si-TEOS上的吸附等温线,并与其在Si-ZC305上的进行比较。结果表明,吸附等温线受压力和温度出影响趋势合理(同文献报到相关数据),且在研究范围内,CO2在Si-TEOS上吸附最大值(13.9 mmol/g),远大于其在Si-ZC305上的最大吸附值(8.0mmol/g)。用BET、热重、XRD分析了Si-TEOS和Si-ZC305两种产品,结果表明前者的比表面积S=1137m2/g、孔容dV=3.12 cm3/g,而后者S=280.2 m2/g、dV=0.798cm3/g。热分析和XRD结果用以分子模拟的前处理以及多孔材料模型的选择。
　　 接下来,以巨正则系综蒙托卡罗分子模拟研究CO2在二氧化硅材料上的吸附等温线。研究在Dell Precision T7500工作站以Material Studio(MS)软件进行。为了方便模拟,建立了两个柱状的二氧化硅材料物理模型(分别称为Si4 Pore和Si2 Pore),以变化孔数和孔径进行讨论。该两种二氧化硅为无定形材料,其对应的Connolly表面积计算分别为350.6m2/g和181.9 m2/g。模拟结果表明,CO2在Si_4_Pore材料上的模拟吸附等温线对应的吸附量随温度的升高而降低,这与实验结果一致;对应特定的物理模型,模拟的平均能量在不同恒定温度下随吸附量的增加而增加,随温度的升高而降低,这可用以解释吸附等温线的变化规律。在恒定温度下(40.3℃),高比表面积的Si4 Pore材料具有较高的吸附量。