金属—有机骨架材料的天然气脱硫性能及表面活性剂中油水分离机理的模拟研究

【摘要】：金属-有机骨架材料(metal-organic framework, MOF)系一类较为新颖的纳米多孔材料。与其他传统材料相比,该类材料具有许多独特的结构特性,使得其在气体存储、气体分离、催化过程和医学等领域,越来越受到人们的关注。另外,作为一类功能化的有机化合物,表面活性剂具有表面活性功能,因此当其溶于水溶液后,不仅可以显著地降低水溶液的表面张力,并且能够改进水溶液的增溶、分散和润湿等能力,因此其被大量地应用于食品、纺织、医药、矿业等领域。与实验研究手段相比,采用计算化学的方法,人们可以快速地对所研究物质的构效关系进行探究,进而从微观／介观尺度上揭示产生某种宏观现象的机理,为将来的进一步研究提供重要的理论基础。因此,本论文基于计算化学的方法,研究了一种新型MOF材料的天然气脱硫性能以及表面活性剂分子在油水分离机理中所起到的作用。研究的内容主要包括：1、考察了具有良好物理化学稳定性的MOF材料,UiO-66(Zr)-(COOH)2,对天然气的吸附分离与净化性能。研究结果显示,通过与混合物分子模拟结果相对比,理想吸附溶液理论能够用于描述H2S/CH4体系在该材料中的分离行为。同时发现该材料对混合物具有良好的分离能力,优于现有的几种典型MOF材料,使得其在天然气脱硫工业领域展现出潜在的应用前景。2、研究MOF材料UiO-66(Zr)-(COOH)2作为纯膜材料、以及作为添加剂与聚合物制成混合基质膜材料的天然气脱硫性能。结果表明,基于UiO-66(Zr)-(COOH)2的膜材料对H2S/CH4体系均表现出良好的分离选择性。3、探索了表面活性剂溶液中油分子从疏水的固体表面脱离的机理。结果表明,通过改变表面活性剂的类型、链长、头基／尾基与油分子／水分子之间的相互作用力,发现在表面活性剂存在的情况下,油分子从疏水的固体表面的脱离存在三种机理,并且与实验现象非常吻合。 【关键词】：金属-有机骨架材料 天然气 脱硫 表面活性剂 油水分离
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O647.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 符号说明13-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 引言14
• 1.2 金属-有机骨架(MOF)材料介绍14-18
• 1.2.1 IRMOF系列材料15-16
• 1.2.2 ZIF系列材料16
• 1.2.3 MIL系列材料16-18
• 1.2.4 UiO系列材料18
• 1.3 表面活性剂简介18-20
• 1.3.1 阴离子表面活性剂19
• 1.3.2 阳离子表面活性剂19-20
• 1.3.3 两性离子表面活性剂20
• 1.3.4 非离子表面活性剂20
• 1.4 计算化学研究方法简介20-23
• 1.4.1 分子模拟方法20-21
• 1.4.2 分子力学方法21-22
• 1.4.3 晶格蒙特卡罗模拟方法22-23
• 1.5 MOF材料在吸附分离及膜分离中的研究进展23-26
• 1.6 选题依据与研究内容26-28
• 1.7 本论文创新点28-30
• 第二章 UiO-66(Zr)-(COOH)_2的H_2S/CH_4吸附分离性能研究30-40
• 2.1 引言30-31
• 2.2 模型与计算方法31-34
• 2.2.1 UiO-66(Zr)-(COOH)_2的结构31-33
• 2.2.2 分子模型与力场参数33
• 2.2.3 模拟细节33-34
• 2.3 结果与讨论34-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第三章 UiO-66(Zr)-(COOH)_2膜的H_2S/CH_4分离性能研究40-52
• 3.1 引言40-41
• 3.2 计算方法41-43
• 3.2.1 分子模型与力场参数41
• 3.2.2 模拟细节41-43
• 3.3 结果与讨论43-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第四章 表面活性剂溶液中油水分离机理的模拟研究52-64
• 4.1 引言52-53
• 4.2 模型与方法53-54
• 4.3 结果与讨论54-62
• 4.3.1 油层脱除机理54-60
• 4.3.1.1 油携带微乳液模型55-57
• 4.3.1.2 油膜剥离模型57-59
• 4.3.1.3 表面活性剂辅助扩散模型59-60
• 4.3.2 油层脱除机理的影响因素60-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 结论64-66
• 参考文献66-72
• 致谢72-74
• 作者简介74-76
• 导师简介76-78
• 研究成果及发表的学术论文78-79
• 附件79-80

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