HC1和N2在MCM-41中的吸附与扩散

摘要

随着科技的发展与人类的进步，气体分离技术被应用于越来越广泛的场合，随着生产需求的增多，发明了很多新的分离方法，其中变压吸附分离备受关注。对于变压吸附的研究中，开发合理、高效的吸附剂尤为重要。近年来，MCM-41作为一种极性吸附剂，受到了广泛的关注。本文介绍了介孔分子筛MCM-41从它第一次被合成以来由于它具有规则且较大的孔径和比表面积，被广泛应用于药物传递、重油脱硫、石化行业中作为催化剂、吸附分离等领域。本文以MCM-41为模型，使用Materials Studio软件，采用计算机模拟方法，包括:巨正则蒙特卡罗模拟(GCMC)和分子动力学模拟(MD)方法，分别分析了N2、HCl及其混合气体在MCM-41介孔分子筛中的吸附与扩散性质，讨论了不同温度下MCM-41对这两种气体的分离性能。
　　在吸附方面，分别模拟了温度为83K、173K、298K，压力为100kPa-1000kPa时MCM-41介孔分子筛对N2、HCl及其混合气体的吸附情况，并对模拟结果进行数据拟合，分别得到Langmuir吸附等温线。模拟结果显示:吸附单一组分气体时，HCl和N2在83K时的吸附量都比298K时的吸附量大很多，而且相同温度下HCl的吸附量比N2的大。吸附混合气体时，两种气体同样在83K时吸附量比298K时大很多，并且相同温度下，从吸附量和吸附热两方面均显示HCl和N2吸附过程中发生了竞争吸附，HCl被优先吸附，吸附量比N2大很多。根据模拟吸附得到的结果分析，分离系数对温度的依赖性比压力大，另外，低温时分离效果较好。但是当温度为83K（液氮温度）时，由于在液氮温度下，两种气体的吸附量都很大，而且在较低压力时都达到饱和吸附，此时的分离系数较小，因而不具有现实的分离意义。
　　在扩散方面，分别对吸附过程中得到的吸附稳定构型做了分子动力学模拟，分别对模拟所得到的粒子运动轨迹进行分析。分析了298K，100kPa-1000kPa下各吸附构型的均方位移随时间的变化关系，得到298K时不同压力下吸附的扩散系数。分析结果显示:298K时，扩散系数的关系为:N2单独组分＞N2混合组分＞HCl单独组分＞HCl混合组分。显然，在MCM-41中，N2比HCl扩散的快。造成这种现象的原因可能是HCl是极性吸附质，与极性吸附剂MCM-41的作用比N2大，而且N2分子比HCl分子小，有利于孔道中的扩散。另外，N2和HCl在Z轴方向的扩散系数都比其它方向上的快。