受限流体热/动力学性质的分子模拟和密度泛函理论研究

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受限流体的热力学和动力学性质与主体相流体存在着显著差异。本文应用密度泛函理论和分子模拟方法对固体表面、狭缝孔道和ZSM-5分子筛中流体的吸附、相平衡和传递性质进行了研究。基于改进的基本度量理论描述的硬球项,对吸引Helmholtz自由能泛函在零主体密度处进行二阶Taylor展开,对相关的Helmholtz自由能泛函采用权重密度近似结合MBWR状态方程表述,提出了一种新的权重密度泛函理论。精确预测了Ar在CO2固体表面上的薄厚膜转变点、润湿温度和表面临界温度。应用GEMC方法研究了具有共沸点的L-J混合流体和CH4/N2/CO2二元体系在狭缝孔道中的相平衡。壁面选择性增加可以使共沸体系的共沸点组成发生严重偏移甚至消失,可以改善体系的汽液相变选择性;孔宽对共沸点组成几乎没有影响但狭缝变窄使体系的相变选择性变差。非选择性狭缝中,壁面势的增强使各CH4/N2/CO2二元体系p-x相图上移、汽化热降低、相变选择性变差且更容易超临界;狭缝变窄在强/弱吸引狭缝中带来不同影响:强吸引狭缝中体系的饱和蒸汽压和汽相密度减小而弱吸引狭缝中恰好相反。修正了吸附热统计方法并对超临界L-J流体在狭缝孔道中的吸附进行了GCMC模拟。结果发现:T*=1.5的L-J流体在吸引狭缝中还会出现汽液相变现象,且狭缝越窄、壁面势越强相变现象越明显。采用调整了电荷参数的Compass力场,模拟了NH3在H-ZSM-5中的吸附和传递性质。吸附等温线和吸附热结果均与实验吻合良好。NH3的吸附机理为:H+附近>孔道交叉位置>孔道其它位置。温度升高和浓度增加使NH3扩散系数变大且均有利于H+附近的NH3分子摆脱束缚。开发了适用于ZSM-5分子筛的力场并对NH3和烷烃在H(Ag、Cu)-ZSM-5中的吸附进行了模拟。吸附等温线和吸附热均与实验吻合良好。在H-ZSM-5中,甲烷和乙烷在交叉位置外的孔道中密度略高,吸附热约为NH3的1/61/4。烷烃和NH3在H-ZSM-5中同时吸附时,烷烃对NH3吸附的促进作用随碳链增长先加强后减弱直至变为阻碍作用;NH3的吸附热随烷烃碳链加长和含量增加而变大;NH3主要吸附在H+附近,烷烃主要吸附在H+附近外的孔道中但在之字型孔道中的吸附随碳链加长逐渐减少直至消失。NH3在Ag(Cu)-ZSM-5中也主要吸附在离子周围,但一个离子可以存在多个吸附区域,即Ag-或Cu-ZSM-5中存在更多的活性位点。
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