活性炭由于其强大的吸附性能和经济环保的特性,被广泛应用于环境污染治理。构建活性炭分子结构模型,从分子层面阐释吸附质与吸附剂结构的关系,为深入探索活性炭的吸附性能提供了新的思路。目前大部分的活性炭模型都是小尺度的(包括100~5,000个原子),通过BET比表面积、孔径分布和碳原子的径向分布函数等推测炭的结构形态并实现建模,因此应用于炭行为的模拟研究也具有一定的局限性。本论文基于活性炭原始材料褐煤的HRTEM图像分析石墨微晶层群的分布规律,结合孔径分布特征,构建了大尺度的多孔分子结构模型,准确地反映了活性炭真实的内部结构体系。在此基础上,从分子模拟的角度阐释了苯和水蒸气在石墨微晶层表面的吸附位置和吸附状态,在孔径结构中的迁移规律,以及苯在不同湿度条件下的二元竞争吸附关系。分子建模方法的构建基于实验的基础上。应用Photoshop和Matlab软件组合包对褐煤的HRTEM图像进行分析,获得石墨微晶层的宽度、偏移角度和层群分布特征。结合孔径分布(氮吸附)规律,应用Fringe3D技术,生成独立的输入单元(石墨微晶层群和孔径结构),有效地控制平面上(x,y轴)石墨微晶层的宽度和偏移角度的分布规律。最后应用Vol3D技术,在不改变每个输入单元偏移角度的基础上,按照设定的比例将其放置在三维空间中,进一步实现对z轴上的区域分布特征的控制,从而在整个三维空间范围内对活性炭结构参数实现高度有效控制。该模型的尺度为100×100×100?,包含~33,000个原子,是目前文献报道中尺度范围最大且包含原子数最多的模型。模型反映了活性炭材料中石墨微晶层群的分布规律和一定的孔径分布特征,以及凹凸不平的石墨微晶层形态,而这些结构特征决定了活性炭的吸附性能,因此为吸附模拟的应用提供了基础作用。与此同时,建模方法的提出也为多孔材料的分子建模提供了一种简单、准确、快速的思路。在模型的基础上考察了孔径结构和炭层表面氧化程度对水蒸气吸附性能的影响。当炭层被少量氧化(6%羰基官能团),水蒸气在含氧官能团附近出现了双层吸附现象。而在被大量氧化的活性炭中(12~18%羰基官能团),水蒸气在含氧官能团附近形成了水分子簇,水分子质量中心的平均距离为3.07?~3.19?。较大的孔径有利于水分子簇的形成和不断生长扩大。在仅包含微孔的活性炭结构中(孔径4~20?),水蒸气的吸附作用将优先发生在13.7~17.2?孔径中,最后在11.7~12.9?的孔径中发生填充作用。而在同时包含微孔和中孔的活性炭结构中(孔径4~30?),水蒸气首先吸附在10.4~14.4?微孔中,随后在中孔内发生吸附作用,整个吸附过程中以微孔填充为主。通过吸附过程的模拟和表征,在温度为303.15K,苯浓度为10,331 ppmv的条件下,苯在具有微孔/中孔(4~40?)结构的活性炭分子模型中的最佳吸附位位于石墨微晶层表面5.75?的距离范围内,与微晶层呈20~30°夹角偏移,平均吸附能量为-37.45 kJ/mol。根据苯吸附过程中吸附位和吸附态的变化,提出了苯吸附行为的四阶段。活性炭的活化过程中若能引入更多的非六元环,形成具有拱形形态的石墨微晶层,对苯等类似结构的VOCs的吸附容量会显著提高。考察了不同湿度条件下苯的吸附行为,并对苯和水蒸气的吸附竞争关系进行了探索。当苯的浓度为10,000 ppmv,相对湿度为10~30%,水蒸气对活性炭的吸附影响不明显;而当相对湿度≥50%,水蒸气的存在对苯的吸附产生较为明显的抑制作用。当RH=10%,水蒸气和苯在氧原子表面形成双层吸附,第一层主要是水蒸气,与氧原子的平均距离为3.07?,形成水分子簇。第二层主要是苯,与氧原子的平均距离为5.09?,呈现T型的分布状态。而当RH上升至70%,由于水蒸气的吸附导致微孔中有效孔径的减小,少量的苯将向7.1~7.9?较小的孔径内以及中孔迁移。水蒸气在氧原子表面≥2.99?的距离分布均匀,形成多层分布状态。