离子液体共混膜分离CO2机理的优化模型及分子模拟

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二氧化碳(CO2)作为主要的温室气体之一,减少它的排放是至关重要的。碳捕获、利用和储存技术是减少CO2排放的有效方法之一,其中CO2捕获是整个过程中的关键步骤。当前,离子液体共混膜在分离CO2的方面有很好的效果,研究人员进行了大量的实验研究,但相关机理的研究相对较少。CO2分离作用的机理研究可以提高分离效率,为膜材料的设计提供十分重要的指导意义。因此,本文以离子液体共混膜为研究对象,通过分子动力学的方法研究了离子液体共混膜的微观机理及其与CO2的相互作用。研究内容和结论有以下两点:(1)不同水含量(30%、55%、70%)和[Bmim][B(CN)4]离子液体共混体系进行了动力学模拟,同时还对含有不同种类阴离子的离子液体([Bmim][B(CN)4]、[Bmim][Tf2N]、[Bmim][PF6])与水共混体系进行模拟,探究共混体系下的微观机理及对CO2分离的影响。通过自扩散系数和氢键数目的结果,可以得知随着水含量的升高,阴阳离子的扩散系数逐渐增大,这是因为水的加入破坏了阴阳离子间的氢键网络导致相互作用逐渐降低。相对于[Bmim][Tf2N]和[Bmim][PF6]两种离子液体,[Bmim][B(CN)4]的自扩散系数较大,可能是由于[Bmim][B(CN)4]的粘度较低。随水浓度的升高离子液体的自扩散系数逐渐增大,且水溶性较高的离子液体扩散系数显著增加。阴离子与水的相互作用强于阳离子与水的相互作用,同时阴离子与CO2的相互作用强于阳离子与CO2的相互作用。(2)不同浓度的[Bmim][Tf2N]离子液体(10wt%,20wt%,30wt%,35wt%,40wt%,50wt%和100wt%)与6FDA-TeMPD(PI)共混膜进行了动力学模拟。结果表明,随着[Bmim][Tf2N]浓度的增加,离子液体区域逐渐连接并形成连续的通道。PI与阴离子的相互作用强于PI与阳离子的相互作用。随着离子液体浓度的增加,PI-阳离子和PI-阴离子的氢键数目逐渐增加。由于离子液体的屏蔽作用,PI链之间的氢键数目随离子液体浓度的增加而减少。CO2的自扩散系数的降低归因于[Bmim][Tf2N]/PI共混体系的自由体积分数随离子液体的增加而降低,并且离子液体起到了阻碍扩散的作用。CO2自扩散系数的增加是由于较高离子液体浓度下形成连续的离子通道,[Bmim][Tf2N]发挥了促进扩散的作用。本文的研究内容和结论,在分子层面上探究了离子液体共混膜分离CO2的机理,分析了共混膜的微观结构对其分离效果的影响,为设计出更高效的分离膜材料提供了理论支撑。
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