非平衡分子動力學在炭膜氣體分離中的研究.pdf

1、炭膜具有較好的氣體分離選擇性，在氣體的提純、分離方面具有廣泛的應用前景。近年來，隨著各種膜制備技術的日益完善，炭膜得到了快速的發(fā)展和應用。但炭膜的研究大多處于實驗室階段，離工業(yè)應用還有一定距離，除了受膜材料及制備因素的制約外，氣體分離機理的理論研究不完善也是一個重要的原因。盡管已建立了許多膜模型，膜的傳遞、分離機理得到了研究，但由于炭膜的特殊性，膜孔結構不同于有機膜及其它無極膜，目前大多數(shù)研究都不完善。因此，研究氣體在炭膜上的滲透和擴散

2、機理，對膜的制備及應用均有重要的理論指導價值。 本文采用雙控容積巨正則分子動力學(DCV-GCMD)方法，建立單孔狹縫模型，首先通過體系初始化，保證體系的總能量及溫度的恒定，消除溫度、能量對氣體分子運動的影響，經(jīng)模擬表明在3000時間步后體系的能量及溫度趨于穩(wěn)定。隨后模擬了CO2、CH4、N2和H2單組分氣體通過炭膜的傳遞性質(zhì)，考察了不同膜孔模型區(qū)域及氣體分子傳遞方向上分子密度的變化及其分布，同時也研究了膜的孔徑、體系溫度、壓力

3、的變化對炭膜氣體通量的影響，結果發(fā)現(xiàn)膜阻力主要集中在膜入口處，對單組分氣體孔徑主要影響膜對氣體吸附性，溫度對氣體的擴散性及吸附性均有影響，壓力增大，氣體分子的密度增大，運動速度也加快。最后以CO2和CH4二元混合氣體組分為代表，對L-J勢函數(shù)參數(shù)進行了優(yōu)化選擇，解決了前人忽略低壓側氣體壓力影響的問題，隨后研究了氣體各組分通量隨膜孔徑，體系溫度、跨膜壓差及氣體組成的變化，結果表明，不同孔徑下混合氣體的組分的膜分離機理不同，相對于難吸附組分