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金属有机骨架材料对挥发性有机化合物的吸附与分离

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摘要

1.1 引言

1.2 分子筛对VOCs吸附与分离

1.2.1 分子筛对烃类化合物吸附与分离

1.2.2 分子筛对苯类吸附与分离

1.3 金属有机骨架材料对VOCs吸附与分离

1.3.1 MOF材料简介

1.3.2 MOF材料对烷烃混合物吸附与分离

1.3.3 MOF材料对烷烃/烯烃混合物吸附与分离

1.3.4 MOF材料对芳香烃化合物吸附与分离

1.4 课题的提出

第二章 己烷混合物在不同MOF材料中的吸附与分离行为

2.1 引言

2.2 模拟和细节

2.2.1 ZIFs的结构

2.2.2 分子模型

2.2.3 模拟细节

2.3 拓扑结构对己烷异构体混合物吸附/分离性能的影响

2.3.1 拓扑结构对己烷异构体纯组分吸附性能的影响

2.3.2 拓扑结构对己烷异构体混合物吸附性能的影响

2.3.3 拓扑结构对己烷异构体混合物分离性能的影响

2.3.4 拓扑结构对己烷异构体混合物吸附位点的影响

2.4 有机配体对己烷异构体混合物吸附/分离性能的影响

2.4.1 有机配体对己烷异构体纯组分吸附性能的影响

2.4.2 有机配体对己烷异构体混合物吸附性能的影响

2.4.3 有机配体对己烷异构体混合物分离性能的影响

2.4.4 有机配体对己烷异构体混合物吸附位点的影响

2.5 本章小结

第三章 丙烷/丙烯混合物在不同MOF材料中的吸附与分离行为

3.1 引言

3.2 模型构建及模拟细节

3.2.1 MOF模型及结构性质

3.2.2 模拟细节

3.2.3 力场参数

3.3 拓扑结构对丙烷和丙烯吸附性能的影响

3.4 拓扑结构对丙烷/丙烯混合物吸附与分离性能

3.4.1 吸附性能

3.4.2 分离性能

3.4.3 工作容量

3.4.4 吸附位点

3.5 丙烷/丙烯混合物在不同结构的MOF中的吸附与分离

3.6 本章小结

参考文献

致谢

论文发表情况

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摘要

烃类化合物是挥发性有机化合物重要组成,该类化合物分离对石油化学工业非常重要,传统的分离操作往往伴随着巨大的能量消耗,多孔材料的吸附与分离提供了可行的替代方案。近二十年来,金属-有机骨架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)因其具有较高的比表面积和孔隙率,具有孔径可调性以及高的热稳性和化学稳定性等优势,被认为是用于气体吸附与分离最有前途的新型多孔材料。目前已经报道和合成的MOFs材料高达数万种,虽然研究者可通过突破实验、吸附实验等方式研究不同烃类混合物在不同MOFs材料中的吸附与分离行为,但其成本高、效率低。近年来发展起来的分子模拟方法能够快速对大量MOFs材料进行研究,获得有效的构-效关系,同时能够对传统实验手段做出补充,从分子层面揭示吸附机制。
  目前很多文献针对烃类化合物在MOFs材料中的吸附与分离做出了研究,对不同MOFs材料的结构性质与其对不同烃类化合物在其中吸附与分离性能的构-效关系尚不太明确。本论文针对上述问题,采用巨正则系统蒙特卡罗模拟(Grand Canonical Monte Carlo,GCMC)方法研究己烷混合物及丙烷与丙烯混合物在不同拓扑结构类沸石咪唑酯骨架(zeolitic imidazolate frameworks,ZIFs)材料中的吸附与分离行为,揭示其相互作用机制以及拓扑结构对己烷混合物及C3H8/C3H6吸附与分离性能的影响,为设计对C3Hs/C3H6具有良好分离性能的MOFs材料提供理论指导。论文的主要研究结果如下:
  (1)高压条件下不同ZIFs对己烷异构体混合物的吸附量大小如下:nHEX>2MP≈3MP>22DMP≈23DMP。ZIF-3由于其独特的孔道结构,对己烷异构体中直链烷烃和异构烷烃存在尺寸筛分效应,故而该结构对正己烷及其同分异构体具有较好的分离能力。
  (2)UMCM系列MOF对己烷异构体混合物具有一定的分离能力,向其中引入功能性基团不能有效提升其对己烷异构体混合物的吸附和分离性能。
  (3)丙烷丙烯混合物中各组分ZIFs中的吸附量随着压力增加直至达到饱和。各组分在其中的饱和吸附量与孔径正相关,即孔径越大,吸附量越大。高压下ZIF-10和Cu-BTC对丙烷/丙烯具有良好的吸附性能和较优的工作容量,同时该材料具有一定的分离能力。

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