【摘 要】
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高效分离和回收氨（NH3）对污染控制和资源利用具有重要意义。离子液体,特别是质子型离子液体,具有与NH3亲和性强、蒸气压低、易解吸再生等独特优势,在NH3分离回收工业应用中具有巨大的潜力。目前,实验已获得了吸收NH3性能良好的离子液体,但其作用机理尚不明确。因此,通过分子动力学模拟结合量子化学计算揭示离子液体吸收NH3的机理非常重要,可以进一步指导设计开发新型离子液体。基于以上背景,本文开展如下研
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高效分离和回收氨（NH3）对污染控制和资源利用具有重要意义。离子液体,特别是质子型离子液体,具有与NH3亲和性强、蒸气压低、易解吸再生等独特优势,在NH3分离回收工业应用中具有巨大的潜力。目前,实验已获得了吸收NH3性能良好的离子液体,但其作用机理尚不明确。因此,通过分子动力学模拟结合量子化学计算揭示离子液体吸收NH3的机理非常重要,可以进一步指导设计开发新型离子液体。基于以上背景,本文开展如下研究:（1）采用分子动力学模拟获得了质子型离子液体([Bim][1][Tf2N])与非质子型离子液体（[Bmim][Tf2N]）对NH3的吸收机理。通过分析体系中离子液体与气体之间的径向分布函数、空间分布函数、相互作用能、氢键等信息,发现了[Bim]+阳离子的N3-H和[Bmim]+阳离子的C2-H是与NH3作用的主要位点,且NH3分子主要分布在阳离子周围。NH3的N原子和[Bim]+阳离子的N3-H原子形成较强的N3-H???N（NH3）氢键,其能量为-79 k J?mol-1,比[Tf2N]-与[Bim]+之间形成的N3-H???O（[Tf2N]-）氢键能量(-30.6 k J?mol-1)的两倍还多。（2）采用分子动力学模拟对[Bim][Tf2N]-NH3、[Bmim][Tf2N]-NH3以及[Bim][Tf2N]-N2-H2-NH3的气液界面体系进行研究。分析了阴阳离子与气体分子的数密度分布、界面附近离子液体取向、电荷密度分布、径向分布函数等信息,结果表明,在气液界面附近阳离子的数密度显著增加,使NH3分子迅速被吸收到气液界面,然后深入渗透到离子液体内部,而N2和H2分子由于与离子液体的相互作用弱以及在离子液体中的溶解度低,在界面区域徘徊并返回气相,从而实现NH3的选择性吸收。（3）采用量子化学计算和分子动力学模拟结合的方式,研究了微量水对质子型离子液体[Bim][Tf2N]和常规离子液体（[Bmim][Tf2N]）吸收氨性能的影响。比较了离子液体/水-NH3之间的相互作用能大小和相互作用类型,表面静电势和电荷分布,以及径向分布函数和空间分布函数等信息,揭示了微量水对离子液体吸收NH3性能的影响。各组分之间的相互作用强弱排序为:[Bim]+-H2O＞[Bim]+-NH3＞H2O-NH3＞[Bmim]+-H2O＞[Bmim]+-NH3。结果表明,质子型离子液体[Bim][Tf2N]与NH3的相互作用最强,[Bmim][Tf2N]与NH3的相互作用最弱,质子型离子液体具有优异的NH3吸收性能。
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