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噻吩及碳氢化合物在多孔沸石材料中的吸附行为对于吸附分离和催化工艺的研究是一个重要的科学主题。例如采用合成沸石从汽油体系(碳氢混合体系)中选择性的分离噻吩及其衍生物等。但是以实验的方法测量噻吩和碳氢化合物在沸石中的吸附是极为困难的,并且关于这类体系的实验数据非常缺乏,因此以分子模拟方法对此体系的研究有着重要的意义。
本文采用分子模拟方法对噻吩以及碳氢化合物分子在不同结构沸石中的吸附、扩散、吸附热以及分布进行了研究。采用能量偏倚巨正则蒙特卡罗方法(GCMC)计算得到噻吩在全硅MFI沸石中的吸附量与高硅铝比MFI型沸石的实验数据一致。通过对噻吩在MFI沸石不同孔道中分布研究表明噻吩分子更优先定位于沸石直孔道和‘之’形孔道的交叉处。而对于MOR沸石,噻吩分子都定位于12元环孔道,在其它的孔道都没有噻吩分子分布。
采用GCMC研究了噻吩、苯和正己烷的二、三元体系在沸石中的分离和分布。研究结果表明,对于噻吩/苯二元体系,由于两种分子都优先定位于MFI孔道的交叉孔道,因此吸附分子的分布服从竞争模式类别。在此种情况下,由于噻吩分子在交叉处吸附作用更强,将苯分子推离交叉孔道。而对于在MOR中的吸附,噻吩和苯分子没有表现出明显不同的优先吸附位,符合Clark等提出的体积填充模型。对于噻吩/苯/正己烷三元体系,模拟结果表明正己烷在MFI沸石中的吸附量最大,而噻吩和苯分子在沸石中的吸附量都非常小,三元体系在MOR沸石中的吸附行为不同于MFI沸石,噻吩在MOR沸石中的吸附量最大,而正己烷和苯的吸附量非常低。对于噻吩、苯和正己烷这三种尺寸较大的分子,只能位于MOR主孔道中,当三元体系中存在着少量的正己烷分子时,就影响到苯的吸附,而正己烷对噻吩在MOR孔道中填充的影响要比苯小,噻吩的吸附量影响不大。
研究噻吩和苯在框架外不同钠离子含量的MFI和MOR沸石中的吸附表明,钠离子在沸石中的定位和密度对噻吩和苯分子的吸附有重要的影响。通过对噻吩/苯混合物在这两种不同结构沸石中的选择性研究表明框架外阳离子密度的增加堵塞了交叉孔道,因此降低了MFI沸石对噻吩的选择性。但是对于MOR沸石,由于其孔道相对较大,钠离子密度的增加,对噻吩的选择性影响不大。
采用分子动力学方法研究了噻吩、苯在MFI沸石中的扩散性能。噻吩和苯分子在沸石中的扩散呈现出各向异性的特征。对于噻吩和苯单组分体系,随着噻吩和苯的负载量的增加,自扩散系数都下降。而对于混合体系,当总负载量保持恒定,增加噻吩负载量时,自扩散系数都下降,但是当噻吩的负载量和苯的负载量都为4个分子/单胞时,自扩散系数都增加。
采用巨正则蒙特卡罗方法计算了噻吩和苯在全硅Y和NaY沸石中的吸附、吸附热及在这两种结构沸石中的分布。采用能量偏倚算法计算了噻吩和苯的吸附等温线。在不同的温度下,计算得到的噻吩和苯的平衡吸附等温线和吸附热与实验结果一致。在相同的压力范围内,计算结果显示噻吩和苯在NaY沸石中的吸附量要比在全硅Y中的吸附量要大。根据吸附热的计算结果,表明NaY型沸石中钠离子的存在明显增强了噻吩、苯分子与沸石之间的作用。钠离子的引入有利于噻吩和苯在沸石中的吸附。根据分布概率表明NaY沸石中存在着不同的吸附位。