飞灰残炭无定形结构建模及吸附机理研究

摘要

残碳是飞灰中因煤炭未充分燃烧而残留的微小碳粒,因为经历了高温的燃烧过程,其内部呈现出无定形和多孔的结构。它可代替活性碳用作为廉价催化剂载体和气相吸附剂,其在生产和生活中的许多方面得到重要的应用。而目前的研究中对残碳的物理化学结构及其吸附机理仍没有清楚的认识,从而限制了对其最大化的资源再利用。想要了解清楚微孔碳的吸附机理,研究不同孔径分布和表面特性对吸附的影响,就须对其整个吸附过程有一个动态、全面的了解,因此必须引入计算机模拟方法。
　　本文使用分子动力学熔融-淬火法构建残炭的无定形结构模型,通过控制不同的反应条件来获得具有不同结构的无定形碳模型。研究了不同初始密度和不同淬火速率对无定形结构的影响,分析了所得不同结构的径向分布函数和孔径分布函数。得到了初始条件最终生成结构的影响。
　　通过热解聚糠醇制备了无定形碳样品,并且对其进行了结构和吸附性能的表征,从而对所建立的模型进行实验验证。通过径向分布函数、真密度和孔径分布比对验证了所建立模型和所使用力场的准确性。
　　使用巨正则蒙特卡洛法对所建立模型的N2和CO2吸附性能进行了模拟,并且将所得结果与相同条件下实验结果对照。使用验证的力场模拟了等摩尔比CO2/N2混合组分在微孔无定形碳中的吸附行为。研究了不同孔径分布对N2和CO2吸附性能的影响。结果表明:微孔无定形碳对等摩尔比CO2/N2混合组分有较高的选择性,并且选择性随着温度的升高、压力的增加和平均孔径的增大而降低。
　　最后,采用分子动力学反应力场模拟了无定形碳在CO2气体的的表面改性。改性前后的无定形碳表面新增了多种含氧官能团。使用巨正则蒙特卡洛法对改性后的模型进行了CO2和N2的吸附模拟,以探究表面官能团对CO2和N2吸附的影响。结果表明:进行表面改性后,对CO2的吸附量增加而对N2的吸附量减少,对等摩尔比CO2/N2混合组分的选择性增加。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 残炭无定形结构建模方法

1.3 分子动力学方法基本原理

1.4 微孔吸附模拟理论与方法

1.5 本文研究难点与内容

2 飞灰残炭无定形结构建模

2.1 引言

2.2 模型与方法

2.3 初始密度对无定形结构的影响

2.4 淬火速率对无定形结构的影响

2.5 本章小结

3 样品制备与结构特性分析

3.1 引言

3.2 样品制备与表征方法

3.3 聚糠醇热解炭化过程

3.4 实验与模拟的径向分布函数对比

3.5 实验与模拟的真密度与孔径分布函数对比

3.6 本章小结

4 飞灰残炭模型吸附性能验证及分析

4.1 引言

4.2 模型与样品吸附表征方法

4.3 实验与模拟的N2吸附等温线对比

4.4 实验与模拟的CO2吸附等温线对比

4.5 N2/CO2等摩尔比竞争吸附

4.6 不同孔径分布对吸附的影响

4.7 本章小结

5 模型表面改性对吸附的影响

5.1 引言

5.2 模型与方法

5.3 CO2气化改性

5.4 改性对气体吸附的影响

5.5 本章小结

6 总结与建议

6.1 全文总结

6.2 下一步建议

致谢

参考文献

附录1 在学期间发表的论文及科研成果清单