分子模拟分析醇水在MFI沸石膜中渗透时的吸附与扩散现象

论文摘要

本文主要采用巨正则蒙特卡洛法（GCMC）、平衡分子动力学方法（EMD）和量子力学方法研究了水、甲醇、乙醇及它们的混合物在MFI沸石膜中的吸附与扩散现象。分子力学和分子动力学部分主要采用COMPASS力场,量子力学部分主要采用密度泛函理论（DFT）方法。通过模拟得到的自扩散系数与吸附热值和实验值比较,确定了模拟参数和模拟方法后,我们以乙醇/水通过silicalite沸石膜的渗透分离为研究对象,分析了乙醇、水单组分及混合情况下的吸附等温线,吸附位,和不同浓度下的扩散系数变化,各组分扩散时的相互影响等情况,从分子水平解释了silicalite沸石膜的疏水性质。在吸附与扩散模拟的基础上,我们又结合渗透理论,计算了纯水、乙醇在silicalite沸石膜中渗透量随活度的变化,得到了的结论与实验结果相吻合。接着,我们又用分子动力学方法,从分子水平研究了水,甲醇及二组分混合物在MFI沸石膜中渗透时的扩散现象。在这部分计算中,我们用铝原子取代silicalite沸石骨架中T2位的部分硅原子,作为H-ZSM-5的结构模型,并研究了甲醇、水在silicalite和H-ZSM-5中的不同扩散现象。我们又分析了甲醇、水及二组分在H-ZSM-5中扩散时的位移和时间关系,以及通过分析分子间径向分布函数,来解释了浓度及温度变化,对扩散组分分子间形成氢键情况的影响。最后,我们又从量子力学的角度出发,利用密度泛函方法,研究了水分子在H-ZSM-5三种不同孔道中吸附前后的结构变化,Mulliken电荷变化,及振动频率等变化,得到水分子在H-ZSM-5的Br（o|¨）nsted酸位吸附后,电子由水分子向沸石骨架转移,并且水分子在三种孔道中的吸附热大小为:交叉孔道＞直孔道＞扭曲孔道。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 分子模拟在沸石研究中的现状
• 1.3 本文的研究目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 分子模拟理论基础
• 2.1 分子模拟概述
• 2.2 分子模拟软件简介
• 2.3 力场
• 参考文献
• 第三章 分子模拟分析乙醇水溶液在全硅MFI沸石膜中吸附与扩散现象
• 3.1 基本理论简介
• 3.2 模拟细节
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 总结
• 参考文献
• 第四章 分子模拟分析MFI沸石膜中甲醇水溶液渗透时的扩散现象
• 4.1 扩散理论简介
• 4.2 模拟细节
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 用量子力学研究水分子在沸石原子簇上吸附时的结构
• 5.1 计算方法和模型
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢