温室气体和水及其混合物吸附分离和传递的介观分子模拟

本项目以二氧化碳废弃煤田封存和天然气沼气提纯为背景，系统研究CH4、CO2 、水及其混合体系在不同碳质介孔模型中的吸附、分离和传递性质。通过模拟不同孔径、孔形状、非均一表面和不同操作条件下对含有CO2气体的吸附分离和扩散，了解孔径，孔壁厚度和表面性质以及操作条件这几者中哪些对CH4、CO2分离和选择性大小的影响最大，得到CO2封存的影响因素，从理论层面设计和预测适合天然气沼气分离的材料结构特征。通过平衡和非平衡模拟得到影响膜分离效率和膜通量的关键性因素得出何种形状的孔和孔径分布的膜能获得好的CH4、CO2分离选择性和大的通量。并建立流体与不同形状孔壁模型的力场，对不同孔结构的介孔模型进行一定的"粗粒化"，利用建立的流体分子-孔壁力场进行大时间和空间尺度的模拟，并通过与实验数据的比较了解粗粒化过程中的关键因素，得出哪些因素可忽略，哪些是关键性不可忽略因素，为介观材料的模拟提供新思路。

CO2，CH4等气体混合物的分离，是节能减排技术重点关注的问题。一方面，全球变暖目前有赖于CO2的捕集和多种地质封存的实现。将CO2 注入废弃煤田是选项之一，然而煤田通常是被CH4充满的，了解CO2/CH4的选择性吸附是实现大尺度短期可实现温室气体减排过程模型化的前提条件。另一方面，页岩气沼气仅在CH4被分离和纯化后才可作为化石气的替代。在低耗能分离这种混合物的可能手段中，碳孔中的吸附和纳孔碳基膜纯化是较好的方法。后者的膜选择性和通量与孔的构筑和膜材料的化学组成息息相关。本项目以温室气体封存和分离为应用背景，利用Monte Carlo（MC）和分子动力学（MD）模拟方法，系统研究CH4、CO2 、水、H2S及其混合体系在不同碳质介孔模型中的吸附、分离和传递性质。通过对不同结构和改性的碳材料进行结构建模以及模拟，进行一系列分子层面的研究，考察了基团改性，孔径和材料结构对温室气体吸附和分离的影响。发现材料受限性越强，吸附分离的选择性越高，但吸附量会有所下降，因此应在受限性和吸附容量上综合考虑材料的设计。引入亲水基团有利于CO2气体的吸附。通过模拟不同孔径碳管和不同操作条件下对含有CO2 气体的吸附分离和扩散，分析了CH4、CO2混合物在碳管中的扩散机理，发现其分离过程是吸附控制，而非扩散控制。了解孔径和表面修饰以及操作条件对CH4、CO2等气体分离和选择性大小的影响。对碳管内含H2O或H2S混合体系的吸附分离进行了研究，H2S/CO2/CH4三元体系中，H2S/CH4选择性随着温度上升下降，而H2S/CO2的选择性随温度变化不大；H2O/CO2/CH4三元体系在纯碳管中的吸附分离研究结果表明，H2O/CH4的选择性随压力变化比较大，而H2O/CO2的选择性几乎不随压力变化。通过MD模拟得到不同孔径碳管和不同孔径分布的活性碳中CH4、CO2 扩散传递性质和渗透分离选择性。以纳米多孔碳为活性碳模型考察了密度和孔径对CH4吸附的影响和CH4的自扩散，发现密度和孔径对CH4吸附都有明显影响。对流体与不同形状孔壁模型的力场进行初步文献调研和探讨，发现建立模型化固体界面力场的难度在于粗粒化程度和力场模型和参数的获取。