离子液体吸收气体的预测型热力学模型及实验研究

摘要

本文在研究离子液体低温下捕集合成气中CO2的基础上，考察了在离子液体中加入ZIFs后对体系耦合吸收吸附CO2及CO过程的强化作用。本文首先合成了ZIF-7和ZIF-8两种金属-有机骨架材料，并对材料进行XRD表征，考察产品的物相、结构是否与标准物质一致，验证实验合成方法的准确性。
　　使用GCMC方法在Materials Studio软件包上模拟计算CO2及CO在ZIFs中的吸附等温线，并与文献数据进行对比，确定本文所选晶胞、力场及相关参数的准确可靠性。本文采用等体积饱和法测量了在温度298.2K下，CO2在[BMIM][BF4]中的溶解度，以及在温度293.2K下，CO在[BMIM][BF4]中的溶解度，并将实验结果与在相同条件下的文献值进行对比，实验值与文献值的平均相对误差分别为5.35％、8.76％，确定了实验方法的准确性。
　　实验测量了温度范围243.2-298.2K，压力范围0-35bar下，CO2(CO)在离子液体[BMIM][BF4]中的溶解度，并用UNIFAC模型预测实验结果，实验值与预测值的平均相对误差分别为7.98％、5.01％，验证了UNIFAC模型在低温下对ILs吸收CO2(CO)溶解度预测的准确性。
　　本文测量了温度范围243.2-298.2K，压力范围0-35bar下，CO2在[BMIM][BF4]+ZIF-7(wZIF-7=0.05,0.10)和[BMIM][BF4]+ZIF-8(wZIF-8=0.05，0.10)体系下的溶解度，以及CO在[BMIM][BF4]+ZIF-7(wZIF-7=0.05，0.10，0.15)和[BMIM][BF4]+ZIF-8(wZIF-8=0.05，0.10，0.15)体系下的溶解度。实验结果表明，ZIF-8的加入增大了ILs吸收CO2的溶解度，随着添加ZIF-8的质量分数越大，CO2在ILs+ZIF-8中的溶解度越大，其强化吸收的效果越明显;ZIF-7在低压下随着质量分数的增大，CO2在ILs+ZIF-7中的溶解度增大，而当实验压力较高时，ZIF-7的加入反而抑制了ILs吸收CO2的效果。由于CO在ILs中的溶解度远低于其在ZIFs中的吸附量，因此ZIFs的加入显著的增大了ILs吸收CO的溶解度。利用杠杆规则分别将UNIFAC模型预测ILs-CO2(CO)体系的气体溶解度与GCMC方法计算ZIFs-CO2(CO)体系的气体吸附模拟值线性拟合后，并将预测值与实验值对比，实验结果符合杠杆规则的预测，表明在耦合吸收吸附过程中ILs与ZIFs之间并无协同作用产生，而是各自发挥吸收和吸附的效果。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．1．1 全球气候变暖的危害

1．1．2 二氧化碳的简介

1．1．3 二氧化碳捕集的方法

1．2 离子液体的简介和应用

1．2．1 离子液体的简介

1．2．2 离子液体的应用

1．3 金属-有机骨架材料的研究进展

1．3．1 金属-有机骨架材料的简介

1．3．2 金属-有机骨架材料的合成方法

1．4 相平衡理论

1．4．1 相平衡的测定方法

1．4．2 相平衡的计算方法

1．5 课题的意义及内容

1．5．1 课题的意义

1．5．2 课题的内容

第二章 预测型热力学模型

2．1 UNIFAC模型

2．1．1 UNIFAC模型简介

2．1．2 基团拆分方法

2．1．3 气体溶解度的UNIFAC模型预测

2．1．4 UNIFAC模型相互作用参数

2．2 ZIFs吸附气体的模拟方法

2．2．1 巨正则系综蒙特卡洛法

2．2．2 ZIFs的结构模型

2．2．3 力场参数及模拟细节

2．2．4 GCMC方法的验证

2．3 本章小结

第三章 实验方法

3．1 ZIFs的合成与表征

3．1．1 实验原料及仪器

3．1．2 ZIFs的合成方法

3．1．3 ZIFs的表征

3．2 实验步骤和分析方法

3．2．1 实验原料和仪器

3．2．2 实验装置

3．2．3 实验步骤

3．2．4 实验分析方法

3．3 本章小结

第四章 ILs与ZIFs耦合吸收吸附CO2研究

4．1 实验可靠性分析

4．2 ILs吸收CO2的结果与分析

4．3 ZIFs吸附CO2的结果与分析

4．4 ILs-ZIFs吸收吸附捕集CO2

4．5 本章小结

第五章 ILs与ZIFs耦合吸收吸附CO研究

5．1 ILs吸收CO的结果与分析

5．2 ZIFs吸附CO的结果与分析

5．3 ILs-ZIFs吸收吸附捕集CO

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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