炭膜分離CO2-CH4混合氣體的分子模擬.pdf

1、隨著全球工業(yè)化進(jìn)程飛速發(fā)展，CO2等溫室氣體的排放日趨嚴(yán)重。這些氣體在大氣中的增加必將會(huì)多尺度、全方位、多層次導(dǎo)致一系列的環(huán)境問題、經(jīng)濟(jì)問題以及社會(huì)問題。采用新型的清潔能源-天然氣成為緩解溫室效應(yīng)的一種重要方法，降低天然氣中CO2含量，可以提高熱值并降低CO2排放。研究表明，無(wú)機(jī)膜中的炭膜，因其特殊的結(jié)構(gòu)與性能，可對(duì)混合氣體中的CO2和CH4進(jìn)行有效分離，但氣體在炭膜中分離的機(jī)理無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀察且尚未明確，所以探究氣體在炭膜中吸附、

2、擴(kuò)散等過(guò)程的機(jī)理十分必要。
　　本文以炭膜分離CO2/CH4混合氣體為背景，建立膜孔結(jié)構(gòu)模型，采用Materials Studio軟件及蒙特卡羅方法模擬吸附分離過(guò)程、采用Lammps軟件及非平衡分子動(dòng)力學(xué)方法模擬擴(kuò)散分離過(guò)程，研究氣體在炭膜中的吸附及擴(kuò)散性能，并考察溫度、孔徑以及孔缺陷對(duì)CO2/CH4混合氣體分離效果的影響。首先建立與炭膜孔結(jié)構(gòu)相近的無(wú)缺陷Z字形孔模型，并驗(yàn)證了模型的可靠性;其次對(duì)模型進(jìn)行缺陷處理，建立了3種不同缺

3、陷方式的Z字形孔模型。在建立有缺陷、無(wú)缺陷模型的基礎(chǔ)上，對(duì)CO2、CH4純氣體及混合氣體在不同孔模型中的吸附和擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行模擬，得到分離系數(shù)并探討氣體分離機(jī)理。綜合吸附與擴(kuò)散過(guò)程的模擬結(jié)果得到CO2/CH4混合氣體的總分離系數(shù)。
　　結(jié)果表明:對(duì)于無(wú)缺陷模型，隨著溫度的增高，CO2/CH4混合氣體的總分離系數(shù)減小，說(shuō)明適當(dāng)?shù)牡蜏赜欣趯?shí)現(xiàn)CO2/CH4的分離;隨著膜孔徑的增大，相同條件下混合氣體的總分離系數(shù)降低，說(shuō)明較小的孔徑有利

4、于CO2/CH4的分離;在溫度為298 K、膜孔徑為0.670 nm的操作條件下，CO2/CH4混合氣體的總分離系數(shù)為18.2，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較接近。對(duì)比研究表明，在0.670 nm的膜孔中，不同溫度條件下，整體缺陷模型對(duì)CO2/CH4混合氣體的總分離系數(shù)均相對(duì)更低;在較低的溫度下，與其他兩種缺陷模型相比，無(wú)缺陷模型的CO2/CH4總分離系數(shù)相對(duì)較低，而在較高的溫度下則相反;隨機(jī)缺陷模型在各個(gè)溫度（除285 K）下均大于均勻缺陷模型的CO2