流体在不同形状限定空间及CMK材料内吸附及相行为研究

摘要

限制空间中的流体分子被限制在几个分子直径的纳米孔内，表现出不同于主体流体的物理性质。对限制空间内的流体的吸附和相行为对工业生产和生产工艺的改进有着重要的指导意义。本文的研究内容包括两个部分：第一部分研究了氮气、甲烷和氢气在矩形孔中的吸附及相行为，比较了几种不同几何形状孔材料的吸附及相行为；第二部分研究了氮气和二氧化碳在有序介孔材料CMK-5中的吸附情况。 本文使用巨正则系综Monte Carlo方法（GCMC）模拟了77K氮气在不同尺寸的方孔、矩形孔和圆孔中的吸附等温线及其相行为，吸附分子与墙分子之间的相互作用使用点对点（site to site）势能模型来描述。通过比较流体在方孔、矩形孔和圆柱孔中的吸附等温线和流体分子构形图，发现方孔和矩形孔的角对低压下流体吸附及相行为有一定的影响。同时比较了低温（77K）和常温（298K）时，甲烷在不同尺寸下的方孔、矩形孔和圆柱孔中的吸附量，发现方孔的吸附量略高于其他两种孔材料。这是因为方孔中存在的角对吸附的影响。对于氢气，当压力小于5MPa时，方孔的吸附量最大，而圆柱孔的吸附量远小于其他两种孔；压力为0．36MPa时，尺寸为S=9δf×9σf方孔的吸附量比直径为D=9σf的圆柱孔高出20%。 CMK-5是一种有序介孔碳材料，具有均匀孔道、排列有序、孔径可调节等特性。本文采用IGA-003智能型重力分析仪测量了77K氮气和77K与常温298K二氧化碳的吸附等温线。模拟方面，使用GCMC方法，氮气和二氧化碳的势能模型分别采用Lennard-Jones（LJ）势和三点势PraEEE势，用于描述流体分子之间和流体分子与墙的相互作用。结合试验数据，首先拟合出CMK-5样品的孔径分布（PSD），再结合PSD，分别得到77 K氮气和273 K与298 K二氧化碳的吸附等温线。与实验结果相对比，发现两者重合的较好。

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第一章综述

1.1限制空间介绍

1.2不同形状限定空间介绍

1.2.1狭缝孔

1.2.2圆柱状孔

1.2.3层柱状孔

1.2.4方孔与矩形孔

1.2.5其他几何形状的孔

1.3介孔材料的简介

1.4研究方法介绍

1.4.1巨正则系综Monte Carlo方法(Grand Canonical EnsembleMonte Carlo)

1.4.2分子动力学(Molecular Dynamic simulation)

1.4.3密度泛函理论(DFT)

第二章：流体在矩形孔中的吸附模拟

2.1简介

2.2势能模型介绍

2.3模拟细节

2.4 N2在方孔和矩形孔中的吸附及相行为

2.5甲烷在方孔和矩形孔中的吸附

2.5.1低温下氮气的吸附比较

2.5.2常温下氮气的吸附比较

2.6氢气在方孔和矩形孔中的吸附

2.7本章小结

第三章流体在CMK材料中吸附的实验和分子模拟研究

3.1仪器介绍

3.1.1该仪器的主要特点为

3.1.2该仪器的主要技术指标为

3.2实验结果

3.3 CMK-5的参数获得

3.4势能模型

3.5 N2在CMK-5中的吸附及相行为

3.6 CO2在CMK-5中的吸附及相行为

3.7本章小结

参考文献

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