NaX分子筛吸附分离CO_(2)/CH_(4)的巨正则蒙特卡洛模拟

采用巨正则蒙特卡洛模拟与理想吸附溶液理论相结合的方法,研究了CO_(2)、CH_(4)分子在NaX分子筛上的吸附性能。通过对比实验数据在不同吸附理论模型下的拟合结果并计算相应的吸附热,描述了CO_(2)、CH_(4)气体的吸附分离过程。结果表明,CH_(4)分子的吸附强度比CO_(2)分子弱,更贴近理想吸附;CO_(2)分子的吸附选择性随其在空气中的体积分数升高而降低,在低压条件下随温度的升高而降低。因此,低温低压更有利于CO_(2)分子的分离。

金属-有机骨架材料MOF-5的改进与吸附甲烷的巨正则蒙特卡罗模拟

根据金属-有机骨架材料(MOFs)的设计思想,在MOF-5(对苯二甲酸为桥联配体,Zn4O金属簇为中心的配位化合物)的基础上设计了10种以Zn4O金属簇为中心(Corner),以不同基团单取代的对苯二甲酸(BDC)衍生物为桥联配体(Linker)的多孔材料.用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法,计算了这些材料在298K、1-10MPa条件下对甲烷的吸附量,讨论了不同取代基与甲烷吸附量的关系.结果发现,在298K、3.5MPa时甲烷的吸附量主要取决于吸附热,并且以硝基取代的配体构成的MOF分子吸附甲烷效果最好.在此基础上,进一步设计了以四硝基取代对苯二甲酸为桥联配体的MOF-4NO2,该结构在相同条件下对甲烷的超额吸附量为209cm3·cm-3,总吸附量达到228cm3·cm-3,比美国能源部(DOE)提出的甲烷吸附材料应用要求标准高26%.

基于蒙特卡罗的硫化氢吸附-扩散机理

为了明确硫化氢(H_(2)S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理,揭示不同温度、压力对煤吸附H_(2)S分子吸附扩散特性的影响机制,基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15~313.15 K、压力1~1 000 kPa时H_(2)S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明:温度由273.15 K升至313.15 K时,H_(2)S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g,降低了16.93%,当压力为1 kPa时,温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时,压力由1 kPa升至1 000 kPa时,最可几相互作用能由-39.391 kJ/mol升至-34.301 kJ/mol,随着压力的增加,最可几相互作用能先快速增加,后缓慢增加。在吸附H_(2)S过程中,H_(2)S的等量吸附热在36.63~41.43 kJ/mol内,为物理吸附,等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化;H_(2)S的吉布斯自由能ΔG为-3.57~-24.57 kJ/mol,吸附熵ΔS为-0.126~-0.194 8 kJ/(mol·K),随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低,H_(2)S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H_(2)S与气肥煤的相互作用能为-492.47~-3 390.95 kJ/mol,以范德华能为主,占总能量的58.67%,以静电能为辅,占41.33%,随着吸附量的增加,相互作用能绝对值增加,吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H_(2)S与羧基的相互作用最强,羟基次之,H_(2)S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K,H_(2)S分子的扩散系数由1.066×10^(-10)m^(2)/s升至2.025×10^(-10)m^(2)/s,温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开,增加裂隙的连通性,温度升高,增加H_(2)S分子平均自由程,使得H_(2)S扩散能力增强,H_(2)S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H_(2)S相对体积分数分布呈现多峰结构,H_(2)S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H_(2)S的极限吸附热为42.898 kJ/mol,H_(2)S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用,H_(2)S在吸附初期存在微弱的化学吸附。

巨正则系综蒙特卡罗法研究异丙醇在活性炭上的吸附特性

采用巨正则系综蒙特卡罗模拟方法研究活性炭狭孔对异丙醇的吸附行为。分别从压强、活性炭狭缝宽度、温度三个方面考察了对吸附的影响。模拟结果表明对于活性炭吸附异丙醇体系,炭狭缝孔模型能可靠地描述其吸附情况,在压强为1KPA时,炭狭缝孔宽度为1．7NM时吸附量较高;而当压强在2-4 KPA时,则孔宽为2NM时吸附量较高;若压强在4-10KPA变化时,则孔宽为 2．5NM时吸附量较高。加热解吸回收异丙醇和活性炭的最佳温度应为140℃左右。

氦气在氩霜表面吸附的巨正则蒙特卡洛模拟

为了从微观角度解释深冷霜在低温下对不凝性气体的吸附机理,采用巨正则蒙特卡洛方法对氦气在氩霜狭缝孔结构中的吸附过程进行模拟。研究了粒子的局部密度随压力变化的分布,获得了氦气在不同孔宽和温度条件下的吸附等温线。模拟结果表明,在相同温度和孔宽下,压力越高粒子在孔内的局部密度越大,且最大值的位置不随压力变化。在温度为4.2 K时,孔宽越大霜层对氦气分子的吸附作用力越小,当孔宽大于1.5 nm时,吸附等温线基本重合。系统的温度越低,起始的吸附压力越小。

噻吩分子及其与异辛烷二元混合物在MCM-22分子筛中吸附的蒙特卡罗模拟

应用巨正则蒙特卡罗模拟方法研究了噻吩分子以及噻吩与异辛烷混合物在MCM-22分子筛中的吸附和分布.通过模拟获得了噻吩分子在MCM-22分子筛中不同温度(298、363和393K)下的吸附等温线和等量吸附热,以及298K时噻吩和异辛烷分子二元混合物在MCM-22分子筛中的吸附及分布情况.结果表明,吸附温度和吸附压力对噻吩分子在MCM-22分子筛吸附都有影响,但等量吸附热受温度和吸附量影响较小.对于二元混合物的吸附,噻吩和异辛烷在分子筛中存在竞争吸附过程,噻吩能够大量吸附在MCM-22分子的十元环和超笼中,而异辛烷主要吸附在MCM-22分子筛的超笼系统,从而可以将噻吩分子与异辛烷分子分离开来.

芳香类化合物在ITQ-1分子筛中吸附特性的蒙特卡罗模拟

用巨正则统计系综蒙特卡罗模拟研究了苯、甲苯以及间二甲苯分子在ITQ 1分子筛中的吸附特性 .从这 3种分子的粒子分布云图上 ,可发现分子的扩散和吸附主要在十二元环超笼内发生 ,在十元环通道内的吸附和扩散则相对较难 .从一系列不同压力下的蒙特卡罗模拟还预测了 3种分子的吸附等温线 ,预测结果与实验结果相符 .这 3种分子在一定压力下 ,都可通过十元环通道或连接十二元环超笼的十元环窗口到达分子筛孔道内部 ,达到较好的吸附平衡状态 .

H2在二维共价有机骨架上吸附的蒙特卡罗模拟研究

使用巨正则蒙特卡罗方法预测H2分子在六种具有不同结构和组分的二维共价有机骨架材料(2D COFs)中的物理吸附行为.研究结果表明:(1)在所研究的温度和压力范围内,ILCOF-1表现出最优异的氢存储性能,是目前2D COFs中储氢量最高的材料之一;其它5种COFs的储氢量低于其它2D COFs中储氢量较高的COF-5,-8,-10和TP-COF,而与COF-1,-6和Pc-PBBA COF相差不多.(2)与3D COFs相比,本文所研究的所有COFs的储氢量均低于目前储氢量最高的COF-105和COF-108;除ILCOF-1外,其它5种COFs材料均低于COF-102和COF-103.根据模拟计算的结果,分析了表面积、孔直径和等量吸附热等因素对COFs储氢性能的影响.对COFs储氢能力的强化提出了一些建设性意见.

基于正则化约束的方位伽马成像测井分辨率提高方法

随钻方位伽马测井可以用于地层放射性强度分析及地质导向、储层界面识别,但受到统计误差的影响非常大,曲线和成像分辨率不高,特别是在对比度不高的地层中,这种影响更明显。为了提高随钻方位伽马测井的成像分辨率,提出一种基于仪器响应特性对方位伽马数据进行正则化处理的方法,以获得更准确的地层放射性强度。首先根据探测器响应原理,采用数值模拟和实验方法得到方位伽马测井的响应灵敏函数,并验证得到的灵敏因子的准确性。然后,通过构造正则化计算公式、调整计算参数对测量的原始方位伽马数据进行处理。结果表明:经该方法处理后得到方位伽马曲线的聚焦性能、对比度得到提高,避免了过去使用线性求解方法所导致的过拟合问题,且伽马成像分辨率有显著增强,薄层识别能力也得到一定改善。该方法能够提供更加准确和清晰的成像结果,提高仪器的地质导向能力和储层钻遇率。

高连通性硼氮COFs材料设计及其甲烷吸附性能模拟研究

采用密度泛函理论(DFT)方法,基于立方体构筑单元(—B_(4)N_(4)O_(12)—)理论设计得到了5种新型高连通性硼氮共价有机骨架(BN-COFs)材料。对5种材料结构进行理论表征,并采用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法模拟研究了250K、298K和350K(K=273.15℃)温度下材料对甲烷(CH_(4))的吸附性能。结果表明:5种材料中BN-COF-5对CH_(4)的吸附性能最佳,在250K、298K和350K下的最大CH_(4)吸附量分别为237.41cm^(3)(STP)/cm^(3)、177.76cm^(3)(STP)/cm^(3)和117.86cm^(3)(STP)/cm^(3),最大工作容量(298K,65bar→5bar)为119.46cm^(3)(STP)/cm^(3)。CH_(4)分子在骨架中的质心密度分布结果表明,CH_(4)的最佳吸附位点处于(—B4N4O12—)团簇以及线性配体形成的角落附近。所设计的高连通性BN-COFs具有良好的CH_(4)吸附性能,可为实验上研究开发新型CH_(4)吸附剂提供一定的理论参考。

苯与丙烯在β分子筛上吸附行为的蒙特卡罗研究

采用巨正则统计系综蒙特卡罗模拟方法研究了β分子筛上苯与丙烯分子的吸附行为.由分子筛内吸附质粒子云分布可知,在100kPa时,丙烯在分子筛上的吸附量要远远大于苯的吸附量.由吸附相互作用能分布来看,苯与分子筛之间相互作用能比丙烯与分子筛之间的相互作用能更负,这就使苯分子的吸附相对于丙烯分子稳定.相对而言,温度变化对丙烯吸附影响远大于对苯吸附的影响,如100kPa时,温度由298K升高至443K导致丙烯分子吸附量明显减少,由每8个晶胞吸附98个丙烯分子减少到80个;而对苯分子吸附却没有显著的影响.β分子筛上存在着苯和丙烯的竞争吸附,并且吸附分子之间存在相互作用使两者与分子筛之间的相互作用能分布改变.在压力范围1×10-3～5.0kPa,不同温度下苯与丙烯在分子筛内吸附等温线的模拟结果表明,在较高温度、较低压力下丙烯的吸附量要小于苯的吸附量.

分子模拟研究苯酚在大气冰表面的吸附行为

苯酚是大气中重要的有毒污染物,然而其在大气冰表面的吸附行为仍不明确.本研究使用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法,基于TIP5P水力场和优化的苯酚力场,模拟了温度200 K条件下,苯酚在六边形(Ih)冰0001表面的吸附行为.研究表明,苯酚在冰表面的吸附等温线具有两个平台期,达到第一个平台期后,苯酚单层吸附饱和并进入快速增长期,随后至吸附凝结点,达到第二个平台期.当苯酚分子吸附量较小时,苯酚独立地吸附在冰表面,吸附行为符合Langmuir吸附类型;随着苯酚分子吸附量增加,冰表面的苯酚分子间产生相互作用,导致偏离了Langmuir吸附等温线.在不同吸附量情况下,苯酚与冰表面分子形成的氢键类型均是以苯酚—OH上的氢原子与冰表面氧原子之间形成的氢键为主.

噻吩及其与烯烃在Cu(Ⅰ)Y分子筛中吸附的蒙特卡洛模拟

利用巨正则蒙特卡洛模拟方法研究了噻吩及其与烯烃混合后在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附行为,选用含噻吩质量分数为300μg/g的正壬烷为模拟油进行吸附模拟,得到噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附等温线、吸附分布照片和局部吸附构型,并分别模拟4种烯烃存在时对Cu(Ⅰ)Y分子筛脱硫效果的影响。结果表明:噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附为Langmuir型吸附,且高温不利于噻吩的吸附,同时由吸附照片观察到噻吩分子之间依靠分子间作用力相互聚集形成大的分子簇,进而填满Cu(Ⅰ)Y分子筛超笼孔道;Cu(Ⅰ)Y分子筛对噻吩具有较好的吸附选择性,而烯烃对噻吩饱和吸附量影响由大到小的顺序为环己烯>1,5-己二烯>1-己烯>1-辛烯,同时从微观吸附构型可以看出环己烯与噻吩存在竞争吸附。

气体分子在煤结构与煤矸石狭缝结构中的渗透扩散模拟

为了分析不同气体在煤矸石山中的渗透规律,构建了SO_(2)、NO_(2)、O_(2)、N_(2)和O_(3)等气体分子以及煤和煤矸石狭缝的结构模型,采用巨正则蒙特卡罗方法及分子动力学模拟方法计算了5种气体分子在煤和煤矸石模型中不同环境下的渗透作用。研究结果表明:气体分子吸附在2种模型上的总能量均随着压力的升高出现先增大后趋于平缓的规律,且各气体分子以物理吸附为主,吸附能力强弱顺序为SO_(2)>O_(2)>O_(3)>N_(2)>NO_(2),SO_(2)的吸附作用最强,NO_(2)的扩散作用最强;通过对比各气体间的混合扩散效果,发现混合后各气体分子间出现聚集现象,且浓度分布和渗透系数大小都遵循O_(2)+N_(2)+SO_(2)+NO_(2)+O_(3)>SO_(2)+NO_(2)+O_(3)>O_(2)+N_(2)>单一组分气体,说明气体分子间存在一定的相互作用,利于扩散作用,削弱吸附作用,最终增强气体间的渗透能力;同时,也印证了混合气体的组分越多,各气体分子的渗透作用越强。

气态碘在COF-103上吸附的理论研究

采用第一性原理和巨正则蒙特卡罗方法,模拟研究了气态碘分子(I2)在共价有机框架材料(COF-103)中的吸附行为,并讨论了气态氧化物、氯化物和挥发性有机化合物(VOCs)等杂质气体的竞争吸附影响.结果表明,I2偏向以垂直方式吸附于COF-103苯环的碳原子位,其中,长程色散相互作用具有重要的贡献,色散能在吸附能中的占比最多可达46%.I2与COF-103之间存在少量电荷转移,且可能形成具有弱共价相互作用的次级键.杂质气体中苯分子(C6H6)的吸附能和等量吸附热最大,与COF-103的亲和性最强,并且可以占据I2的吸附位点,从而引起I2吸附量的显著降低.

高价态硼磷COFs材料理论设计与储氢性能研究

采用分子力学方法,从理论上设计了五种具有lta拓扑结构的高价态硼磷共价有机骨架(BP-COFs)材料。研究结果表明五种材料均具备有利于储氢应用的结构特性,如低密度(0.52~1.17 g·cm^(-3))、大比表面积(1274.12~4033.95 m^(2)·g^(-1))和高孔隙率(0.55%~0.78%)等。使用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法预测298和77 K温度下五种材料对氢气分子的物理吸附性能,并分析了材料结构与氢吸附性能之间的构效关系,结果表明五种BP-COFs材料具有较强的氢气吸附能力。尤其是在77 K时,BP-COF-10和BP-COF-11在储氢性能方面的表现最为优异,BP-COF-10具有最高的体积储氢量52.86 g·L^(-1),BP-COF-11具有最高的质量储氢量9.90%,而且随着压强的增加,BP-COF-11的质量储氢量仍然保持较好的上升趋势,这表明本文所设计材料具有优异的储氢应用潜力。本研究将为实验上开发新型高性能储氢材料提供一定的理论参考。

碳纳米管储氢性能的计算机模拟

采用巨正则蒙特卡罗(GCMC GrandCanonicalMonteCarlo)方法[11],系统地研究了锯齿(Zigzag)型单壁碳纳米管(SWNT SingleWalledCarbonNanotubes)的储氢性能,得到了管径和管长与储氢能力的关系曲线,给出了氢在碳纳米管中的分布,并对碳纳米管储氢能力的表征提出了建设性意见.

甲烷在AFS型分子筛中的吸附模拟

采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法模拟了甲烷分子在AFS型分子筛中的吸附量,并和Düren等人(Langmuir,2004,20:2683)设计的金属有机骨架中的甲烷吸附量进行比较,发现AFS型沸石分子筛对甲烷分子有很好的吸附性能,AFS型分子筛是中低压吸附储存天然气系统中的一种比较理想的吸附剂.采用DubininAs-akhov(DA)微孔分析方法,分析了沸石结构对甲烷储量大小的影响,总结了影响甲烷储量大小的物理因素.

多孔金属有机骨架材料储氢性能分子模拟

采用优化的DREIDING力场参数,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对H2在IRMOF-1、IRMOF-61和IRMOF-62共3种金属有机骨架(MOFs)材料中的吸附平衡性能进行了比较研究.结果表明,该力场能够在全压力范围内很好地复制H2在IRMOF-62材料中的等温吸附曲线;但对低压下H2在IRMOF-61中的等温吸附曲线预测出现低估.与IRMOF-1相比,具有互穿骨架结构的IRMOF-61和IRMOF-62材料在常温下的储氢能力并无明显提高.进一步比较77 K时100 kPa、3.0 MPa下H2在上述MOFs材料中达到吸附平衡时的几率密度分布发现,H2会优先吸附在Zn4O骨架附近靠近苯环的位置;对具有互穿结构的MOFs材料而言,由于其孔腔尺寸缩小,使得H2优先吸附位区域零散化.适当长度的有机配体形成的互穿骨架结构能增强与H2分子之间的相互作用,具备较高的储氢能力;而有机配体尺寸过长则会增加骨架结构中H2吸附死角,对H2的吸附能力反而出现下降.

中国农业巨灾风险评估方法研究

【目的】研究中国农业巨灾风险评估的方法。【方法】利用农作物受灾面积、成灾面积和绝收面积获得中国农业灾害损失数据,同时运用蒙特卡罗模拟技术以解决样本数据不足的难题;运用极值POT模型实现对农业灾害损失尾部分布的有效拟合,建立农业巨灾损失的广义Pareto分布模型;建立基于VaR方法的农业巨灾风险的精确度量模型;选择河南省粮食生产的旱灾巨灾风险作为中国农业巨灾风险评估的案例。【结果】构建了中国农业巨灾风险评估的基本框架;旱灾巨灾对河南省粮食生产的影响总体上相对有限,其损失的平均值在10%左右,但在面临50年一遇甚至是百年一遇的旱灾巨灾时,粮食损失率将分别高达22.60%和25.24%,须引起决策层的高度重视。【结论】本研究所提出的中国农业巨灾风险评估方法是切实可行的。