沸石分子筛吸附大气中有毒污染物的分子模拟研究

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环境治理是当今社会面临的一个重要课题,其中大气污染物中最常见的有硫化物、氮化物和碳化物。它们对人体健康、环境造成了严重的危害。研究发现,沸石是一种良好的吸附剂,可以用于有毒气体的吸附分离。本文首先利用分子模拟研究95种全硅沸石在常温下不同压力时对6种常见有毒气体SO2、H2S、NH3、NO2、CO、NO的纯组分吸附,然后研究95种全硅沸石对SO2/N2/O2以及H2S/N2/O2三元混合物的吸附分离,最后研究6种含金属离子的X型沸石对H2S/N2/O2三元混合物的吸附分离。在分子尺度上研究了沸石结构对其吸附分离6种有毒气体的影响,利用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法来计算每种沸石对各气体的吸附量,并画出吸附等温线,筛选出对有毒气体具有良好吸附性能的材料。研究发现,在常温常压下,对于单气体的吸附而言,可接触比表面积在1600-1800m2/g,孔径在6.0-7.0?之间的沸石对H2S,NO,NO2,CO以及NH3都表现出良好的吸附性能,例如AFY、PAU。而SO2自身具有很强的相互作用力,更容易吸附在比表面积在1700-2700 m2/g,孔径在7.0-14.0?的沸石材料当中。在饱和吸附状态下,RWY、IRR、JSR、TSC、ITT对6种常见有毒气体都表现出良好的吸附性能。在N2/O2/H2S三元混合物体系中,RHO是去除H2S的最佳材料,吸附选择性系数为9.7。其次是MER,AFY,PAU,MOR。在N2/O2/SO2三元混合物体系中,MOR是去除SO2的最佳材料,吸附选择性系数为1264.5,其次是EON,RHO,UFI,MER。另外沸石对气体的吸附选择性系数与吸附量呈线性关系,而沸石对气体的选择性系数与其工作能力呈一元二次函数关系。结果表明:RHO、MOR、MER对于H2S、SO2都有良好的选择吸附性能,并且这两种气体最易吸附在沸石材料中含八元环的次级结构中。对于6种X型沸石来说,模拟结果表明各个材料的脱硫能力明显不同,在常温条件下,含一价碱金属离子的分子筛材料对空气中硫化氢的吸附性能明显优于含二价碱金属离子的分子筛,尤其是含钠离子的分子筛。本次工作的结果有助于选择良好的沸石材料应用于吸附有毒气体的工艺中,在空气纯化以及工业吸附应用方面具有一定的指导意义。
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