分子筛酸性及其吸附脱硫性能的理论计算研究

论文摘要

出于对环境的保护，燃料油生产标准日益严格，深度脱硫已经在世界范围内进行广泛研究。选择性吸附脱硫被认为是最有潜力能够在常温常压条件下进行的深度脱硫工艺。最近几年阳离子交换Y分子筛被广泛应用于脱除燃料油中赛分类硫化物的研究。Cu（I）Y, Ni（II）Y和Ce（III）Y作为吸附剂被报道对于脱除燃料油中噻吩类硫化物的具有很高的选择性和深度脱硫能力。一些实验表明分子筛酸性可能造成分子筛吸附能力下降的主要原因。本文采用分子模拟方法，对阳离子交换Y分子筛酸性及其对噻吩类硫化物的吸附机理进行基于密度泛泛函理论研究，同时利用Monte Carlo方法模拟Cu（I）Y分子筛对噻吩类硫化物及噻吩与烯烃二元混合物的吸附性能。采用密度泛函理论研究Cu（I）Y, Ni（II）Y和Ce（III）Y分子筛的Lewis酸强度。计算中采用广义梯度近似下的BLYP交换相关泛函和DNP基组。截取了包含阳离子交换的SII位的6T团簇模型（Si6O18H12） and12T团簇模型（Si12O33H18）。采用Fukui函数为基础的反应活性描述符对Lewis酸强度进行定量研究，同时利用两种布局数分析方法得到的强弱关系均为：Ce3+> Ni2+>Cu+。依靠相对亲电性得到的结果表明阳离子交换Y分子筛的Lewis酸强度与所选取的布局数分析方法和分子筛团簇模型没有关系。利用密度泛函理论研究噻吩类硫化物（噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩）在Cu（I）Y, Ni（II）Y和Ce（III）Y分子筛的吸附机理。计算中采用广义梯度近似下的BLYP交换相关泛函和DNP基组。计算结果表明Cu（I）Y分子筛对噻吩的稳定吸附构型为η5吸附模式，而噻吩在Ni（II）Y和Ce（III）Y分子筛中稳定的吸附构型为η1S吸附模式。三种噻吩类硫化物在Ni（II）Y分子筛中的吸附模式都为η1S。噻吩在Ce（III）Y分子筛的吸附只存在η5模式，而苯并噻吩和二苯并噻吩在Ce（III）Y分子筛中的吸附则可能发生两种吸附模式同时存在，相互竞争的情况。另外，对比不同吸附剂对噻吩类硫化物的的吸附性能可得，对噻吩的吸附性能强弱关系为：Cu （I） Y> Ce （III） Y> Ni （II） Y，而苯并噻吩和二苯并噻吩则为：Cu （I） Y>Ni （II） Y> Ce （III） Y。利用巨正则蒙特卡洛模拟方法研究了噻吩及其与烯烃混合后在Cu（I）Y分子筛中的吸附行为。实验中选用含噻吩300ppm（质量分数），并以正壬烷为溶剂的模拟油体系进行吸附模拟。模拟得到了噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩在Cu（I）Y分子筛中不同温度（298K、363K和393K）下的吸附等温线。结果表明，温度升高吸附量有所降低，低压时吸附量随压力的变化较大，其饱和吸附量的大小关系为：噻吩>苯并噻吩>二苯并噻吩。同时由吸附图观察到噻吩分子之间依靠分子间作用力在超笼中形成大的分子簇，进而可能阻碍其它吸附质分子进入超笼孔道。另外分别考察了四种烯烃存在时Cu（I）Y分子筛对脱硫效果的影响，从结果中发现Cu（I）Y分子筛对噻吩有较好的吸附选择性，而烯烃对噻吩吸附量的影响关系为：环己烯>1,5-二己烯>1-己烯>1-辛烯，同时从微观吸附构型可以看出环己烯与噻吩存在竞争吸附。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 1.1 燃料油脱硫的意义
• 1.2 燃料油脱硫技术
• 1.3 选择性吸附脱硫研究现状
• 1.3.1 阳离子交换 Y 型分子筛选择性吸附脱硫性能
• 1.3.2 阳离子交换 Y 型分子筛选择性吸附脱硫机理
• 1.4 分子筛酸性对脱硫性能的影响
• 1.5 分子筛酸性及其研究方法
• 1.5.1 分子筛酸性位
• 1.5.2 分子筛酸性的实验表征方法
• 1.5.3 理论计算在分子筛酸性表征中的应用
• 1.6 本文研究思路及内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究思路
• 1.6.3 研究内容
• 2. 理论计算方法及模型选取
• 2.1 密度泛函理论（DFT）
• 2.2 蒙特卡洛方法（Monte Carlo, MC）
• 2.3 计算软件及模块简介
• 2.3.1 Dmol3 模块
• 2.3.2 Sorption 模块
• 2.4 模型选取
• 3. 阳离子交换Y分子筛的Lewis酸性研究
• 3.1 引言
• 3.2 模型与计算方法
• 3.3 相对反应活度描述符
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 团簇模型的优化
• 3.4.2 相对亲电性
• 3.4.3 碱性探针分子的吸附
• 3.5 小结
• 4. 噻吩类硫化物在阳离子交换上吸附的DFT研究
• 4.1 引言
• 4.2 模型的搭建和计算方法
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 分子筛团簇和吸附质分子结构优化
• 4.3.2 吸附构型和吸附能的计算
• 4.4 小结
• 5. Cu（I）Y分子筛选择性吸附的Monte Carlo模拟
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 噻吩在 Cu（I）Y 分子筛上的吸附
• 5.3.2 苯并噻吩和二苯并噻吩在 Cu（I）Y 分子筛上的吸附
• 5.3.3 噻吩与烯烃混合物在 Cu（I）Y 分子筛上的吸附
• 5.4 小结
• 6. 结论
• 参考文献
• 致谢
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