Автореферат (1150257)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиСИЗОВА Анастасия АндреевнаКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕАДСОРБЦИИ И ДИФФУЗИИ ФЛЮИДОВВ УГЛЕРОДНЫХ И СИЛИКАТНЫХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХСпециальность 02.00.04 – физическая химияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата химических наукСанкт-Петербург2015Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшегопрофессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет».Научный руководитель:Бродская Елена Николаевнадоктор физико-математических наук,ведущийнаучныйсотрудникФедеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждения высшего профессионального образования«Санкт-Петербургский государственный университет»Официальные оппоненты:Устинов Евгений Александровичдоктор химических наук,ведущийнаучныйсотрудникФедеральногогосударственного бюджетного учреждения науки«Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе»Российской академии наукСашина Елена Сергеевнадоктор химических наук,профессор Федерального государственного бюджетногообразовательногоучреждениявысшегопрофессионального образования «Санкт-Петербургскийгосударственный университет технологии и дизайна»Ведущая организация:Государственный научный центр РФ Акционерноеобщество «Ордена Трудового Красного Знамени научноисследовательский физико-химический институт им.Л.Я.Карпова» Государственной корпорации по атомнойэнергии «Росатом»Защита состоится 24 сентября 2015 года в 17:00 на заседании диссертационного советаД 212.232.40 на базе ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет» по адресу: 199034, г.

Санкт-Петербург, Средний пр. В.О., д. 41/43, БХА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А.М. Горького СПбГУи на сайте http://www.spbu.ru.Автореферат разослан «____» _________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат химических наукСуходолов Н.Г.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Конкурентная адсорбция газов в пористых материалахлежит в основе целого ряда технологических процессов, среди которых можноназвать улавливание углекислого газа из продуктов сгорания органического топлива,очистку природного газа и биогаза, а также интенсифицированное извлечение метанаиз угольных пластов (enhanced coal bed methane recovery, ECBM). Развитие иоптимизация этих технологий невозможны без понимания физико-химическихособенностей протекающих процессов, потому важно не только описаниенаблюдаемых явлений, но и фундаментальные исследования, которые позволяли быобъяснять и предсказывать их с высокой степенью точности.Перечисленные выше практические приложения адсорбционных технологийподразумевают разделение и очистку сложных газовых смесей, основнымикомпонентами которых являются углекислый газ, метан и азот.

Так, очистка биогазаи природного газа основываются на разделении смесей CO2/CH4, содержащих неменее 50-60% метана. Топочный газ представляет собой многокомпонентную смесь,основными компонентами которой являются азот и углекислый газ, причем доляпоследнего может достигать 15%. Наконец, условия реализации технологии ECBMпредполагают нахождение в угольных пластах смесей углекислого газа и метанасамого разного состава. Значительное влияние на ход адсорбции газов оказываетприсутствие воды, которое может как ухудшать, так и улучшать адсорбционныехарактеристики используемых материалов.

Изучению адсорбции воды впромышленно значимых адсорбентах уделяется много внимания, однако механизмее влияния на адсорбцию и диффузию газов в пористых материалах в настоящеевремя достоверно не установлен. Широкие возможности для решения этой задачипредоставляет компьютерное моделирование, позволяющее рассматриватьпротекание исследуемых процессов на уровне отдельных атомов и молекул.Целью работы является изучение влияния преадсорбированной воды наадсорбцию и диффузию углекислого газа, метана, азота и их смесей в силикатных иуглеродных адсорбентах на основе комплексного использования методовмолекулярного моделирования. Указанная цель достигается последовательнымрешением следующих задач:– моделирование адсорбции газов и газовых смесей в сухих адсорбентах,рассматриваемых как системы сравнения;– систематическое исследование адсорбции газов и газовых смесей вуглеродных адсорбентах со щелевидными порами в присутствии различныхколичеств воды;– расчет изотерм адсорбции газов и газовых смесей во влажных модельныхадсорбентах со щелевидными порами;3– расчет изотерм адсорбции воды, газов и газовых смесей в мезопористыхтемплатных материалах;– моделирование диффузии газов и газовых смесей в адсорбентах различнойприроды в присутствии воды.Научная новизна.

Настоящая работа представляет собой наиболее детальноеиз существующих на сегодняшний день исследований адсорбционных характеристикувлажненных углеродных и силикатных адсорбентов со щелевидными ицилиндрическими порами. Впервые рассчитаны изотермы адсорбции метана, азота,углекислого газа и их смесей во влажных аморфных мезопористых материалахMCM-41, SBA-15 и CMK-5. На основании результатов моделирования исследованасвязь гидрофильности/гидрофобности адсорбента с энергиями межмолекулярныхвзаимодействий в изученных системах и установлен механизм влияния воды наадсорбционную емкость и селективность рассматриваемых пористых материалов.Кроме того, впервые исследовано влияние преадсорбированной воды на диффузиюгазов и газовых смесей в пористом пространстве.Научная и практическая значимость. В работе сформулированымолекулярные механизмы влияния преадсорбированной воды на адсорбционныехарактеристики пористых материалов различной природы и установлена связь этиххарактеристик с локальной структурой адсорбированной фазы.

На основанииполученных данных возможно построение моделей различного уровня,позволяющих описывать и предсказывать поведение аналогичных систем в широкомдиапазоне условий, которые могут быть использованы для развития и оптимизациитехнологий улавливания и захоронения углекислого газа.Положения, выносимые на защиту.1. Модели мезопористых темплатных материалов, оптимизированные для изучениясвойств адсорбированных газов и воды.2. Результаты моделирования адсорбции газов в сухих и влажных углеродныхадсорбентах, показывающие, что преадсорбированная вода может увеличиватьили уменьшать адсорбционную емкость по газам и всегда повышаетселективность адсорбентов к CO2.3. Результаты моделирования адсорбции газов в сухих и влажных силикатныхадсорбентах, показывающие, что преадсорбированная вода всегда снижаетадсорбционную емкость по газам и селективность к CO2.4. Механизм влияния воды на адсорбционную емкость и селективность пористыхматериалов, основанный на двух факторах: энергетическом и геометрическом.5.

Результаты моделирования подвижности молекул в пористых материалах,позволяющие установить зависимость коэффициентов диффузии от локальнойструктуры адсорбата при различных влажностях и давлениях.4Личный вклад автора. Автором работы самостоятельно выполнены: обзорлитературы по теме работы, разработка и апробация методики моделирования, выборобъектов исследования и построение их молекулярных моделей, планирование ипроведение расчетной работы, написание программного обеспечения для подготовкирасчетов и обработки результатов, интерпретация полученных данных.Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждались наследующих конференциях и симпозиумах: IV научная конференция студентов иаспирантов химического факультета СПбГУ, Санкт-Петербург, 2010; XIVВсероссийский симпозиум с участием иностранных ученых «Актуальные проблемытеории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности», Москва–Клязьма,2010; V Всероссийская конференция студентов и аспирантов «Химия в современноммире», Санкт-Петербург, 2011; 25th European Symposium on Applied Thermodynamics(ESAT-2011), St.Petersburg, 2011; VII Всероссийская конференция молодых ученых,аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2013», СанктПетербург, 2013; XIX International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia(RCCT-2013), Moscow, 2013; IV International Conference on Colloid Chemistry andPhysicochemical Mechanics (IC-CCPCM 13), Moscow, 2013; International Conference«Thermodynamics 2013», Manchester, UK, 2013; Russo-Japanese Symposium «ChemicalTheory for Complex Systems», St.Petersburg, 2014; II Всероссийская конференция смеждународным участием «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости иадсорбционной селективности», Москва–Клязьма, 2015.Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 2статьи в рецензируемых журналах и 10 тезисов докладов в сборниках трудовроссийских и международных конференций.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав,заключения и списка цитируемой литературы из 212 наименований. Работа изложенана 174 страницах, содержит 66 рисунков и 5 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении изложена актуальность работы и её практическая значимость,приводится обоснование выбора рассматриваемых объектов и примененных для ихизучения методов, формулируются цель и задачи исследования.Первая глава содержит обзор литературы, посвященной изучению адсорбциии диффузии газов и воды в углеродных и силикатных адсорбентах методамикомпьютерного моделирования.

Приводится описание характерных особенностейадсорбции метана, углекислого газа и азота, а также их смесей в сухих адсорбентах.Поскольку поведение адсорбированной воды может значительно отличаться отповедения газов и газовых смесей, особое внимание уделено обзору литературы по5моделированию адсорбции воды в гидрофильных и гидрофобных материалах.Представлены результаты моделирования динамики воды и газов в пористыхсистемах. Наконец, рассмотрены работы по экспериментальному изучению икомпьютерному моделированию влияния воды на адсорбцию газов и газовых смесей.Вторая глава содержит описание методики моделирования, теоретическиеосновы методов Монте-Карло (МК) и молекулярной динамики (МД) и особенностиих реализации. Описываются использовавшиеся потенциалы межмолекулярноговзаимодействия и детально рассматриваются выбранные молекулярные моделифлюидных компонентов и адсорбентов.Флюиды описывались полноатомными жесткими моделями: OPLS-AA дляметана, TraPPE для углекислого газа и азота, SPC/E и TIP4P/2005 для воды.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации