多孔聚合物网络结构天然气脱硫脱碳应用的高通量筛选开题报告
2020-05-01 08:40:18
1. 研究目的与意义（文献综述）
天然气是存在于地下岩石储集层中以烃为主体的混合气体的统称，比重约0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性。天然气主要成分为烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有硫化氢、二氧化碳、氮、水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体，如氦和氩等。有机硫化物和硫化氢是常见的杂质，在开采、处理和运输中会造成设备和管线的腐蚀，作为燃料时又会造成大气污染。在利用天然气时都必须预先进行脱硫脱碳处理。所以脱硫脱碳是天然气工业所面临的重要挑战之一。
目前工业天然气脱硫脱碳方法有醇胺法、冷甲醇法、多乙二醇二甲醚法等，但是这些方法在使用过程中需要在高温下对溶剂进行解吸处理，因此消耗大量能量。采用变压吸附法（psa）进行天然气脱硫脱碳则可以显著降低能量消耗，因而受到国内外的广泛关注，逐渐发展为天然气脱硫脱碳的研究焦点，而开发具有优异气体选择性吸附特性的多孔吸附材料是psa法应用的技术关键。
近年来，国内外对沸石、金属有机骨架材料（mofs）、多孔芳香骨架材料（pafs）等多孔吸附材料的脱硫脱碳性能进行了相关的研究。siepmann课题组进行了利用纳米多孔材料（例如沸石）的吸附以及渗透蒸发过程替代高能量消耗的胺基吸收过程的相关研究，他们在七个不同的全硅沸石骨架（cha、ddr、fer、ifr、mfi、mor和mww）中使用吉布斯系综蒙特卡洛模拟研究了含h2s和ch4的二元混合物在两个不同的温度（298和343k）和1—50bar的压力下的数据，模拟结果表明除了mor之外，随着h2s浓度的增加，选择性增加，并且表明使用单组分吸附数据和理想吸附溶液理论的预测不够准确。此外，在大范围的h2s分压下探测七种不同全硅沸石骨架中的h2s和ch4的吸附发现，在汽相中，h2s平衡浓度低时，mor具有最高的选择性以及对h2s最有利的吸附焓，而在高h2s平衡浓度低时， mfi表现出最高的选择性以及对h2s最有利的吸附焓。 另外，国内北京化工大学仲崇立课题组以及曹达鹏课题组也有相关的研究。仲崇立课题组研究了33种具有代表性的稳定mof材料对h2s/ch4混合体系的分离性质。结果表明, 官能团改性和小孔作用的出现是提高选择性的关键。材料各基团中―cl、―oh、―och3基团对h2s气体的吸附作用力最强, 在今后实际吸附分离h2s气体时, 可以尝试选择带有这几种官能团且孔尺寸比较小的材料。同时发现，选择性高、对气体吸附作用力大、吸附点位多的材料工作容量一般比较高；而单纯选择性高的材料工作容量却不一定高, 如psa过程的zif-80。此外, 通过计算筛选出最适用于vsa过程气体分离的材料有zif-80、zn2-bpydtc、cau-1-(oh) 2、ch3o-mofa等; 最适用于psa过程气体分离的材料为ch3omofa和cau-1-(oh)2等。这些结论对于今后研究从h2s/ch4混合气体分离h2s有一定的指导意义, 为mof材料应用于天然气脱硫提供了一定理论依据。而曹达鹏课题组研究了多孔配位框架材料co2捕集及分离性能，他们发现多孔配位框架材料(pcfs)由于具有丰富的空间拓扑结构、结构可调控性、可设计性、高的比表面积和孔容等特点, 使得该类框架材料成为极有前途的co2捕集分离材料。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 目标：
本课题将以17000多个ppns材料为研究对象，以天然气脱硫脱碳为应用目标，主要通过计算机高通量筛选方法，从数据库中筛选出具有较高选择性吸附性能的ppns材料，并对其脱硫脱碳机理进行分析。熟悉ppns材料结构参数的表征方法、材料原子部分电荷的计算方法以及通过巨正则蒙特卡洛（gcmc）模拟方法材料选择性吸附性能的高通量计算；研究具有较高选择性吸附性能的ppns材料与结构参数之间的关系，为合理设计具有最佳天然气脱硫脱碳选择性吸附性能的多孔材料奠定理论基础。
2.2 基本内容：
3. 研究计划与安排
第1-2周：资料收集、整理，撰写开题报告，完成英文翻译
第3-5周：掌握ppns材料结构参数与原子部分电荷的计算方法
第6-9周：通过计算机高通量筛选方法对ppns材料的天然气脱硫脱碳选择性吸附性能进行筛选，确定具有最高性能的结构；
4. 参考文献（12篇以上）
| [1] Martin R. L., SimonC. M., Smit B., et al. In silico design of porous polymer networks:high-throughput screening for methane storage materials[J]. Journal of theAmerican Chemical Society, 2014, 136(13):5006-5022. [2] Shah M. S.,Tsapatsis M., Siepmann J. I.. Monte carlo simulations probing the adsorptiveseparation of hydrogen sulfide/methane mixtures using all-silica zeolites[J].Langmuir the ACS Journal of Surfaces amp; Colloids, 2015, 31(44):12268-78. [3] Fetisov E. O., ShahM. S., Knight C., et al. Understanding the reactive adsorption of h2s and co2in sodium-exchanged zeolites.[J]. Chemphyschem, 2017. [4] Qiao, Z. W. ; Xu, Q.S. ; Jiang, J. W.: High-throughput computationalscreening of metal-organic framework membranes for upgrading of natural gas. JOURNALOF MEMBRANE SCIENCE卷: 551 页: 47-54. [5] Qiao,Z. W. ; Xu, Q. S. ; Cheetham, A. K. ; Jiang, J. W. : High-ThroughputComputational Screening of Metal-Organic Frameworks for Thiol Capture. JOURNALOF PHYSICAL CHEMISTRY C卷: 121 期: 40 页: 22208-22215. [6] Chen,B. ; Siepmann, J. I. : Improving the efficiency of theaggregation-volume-bias Monte Carlo algorithm. JOURNAL OF PHYSICALCHEMISTRY B卷: 105期: 45页: 11275-11282. [7] Li,J.; Kuppler, R. J.; Zhou, H. Selective Gas Adsorption and Separation inMetal-organic Frameworks. Chem. Soc. Rev. 2009, 38,1477#8722;1504. [8] Shah,M. S.; Tsapatsis, M.; Siepmann, J. I. Development of the TransferablePotentials for Phase Equilibria Model for Hydrogen Sulfide. J. Phys. Chem. B2015, 119, 7041#8722;7052. [9] Bai,P.; Siepmann, J. I.; Deem, M. W. Adsorption of glucose into zeolite beta fromaqueous solution. AIChE J. 2013, 59, 3523#8722;3529. [10] Corte#769;sMorales, A. D.; Economou, I. G.; Peters, C. J.; Siepmann, J. I. Influence ofSimulation Protocols on the Efficiency of Gibbs Ensemble Monte CarloSimulations. Mol. Simul. 2013, 39, 1135#8722;1142. [11] Bai,P.; Jeon, M. Y.; Ren, L.; Knight, C.;Deem, M. W.; Tsapatsis, M.; Siepmann, J. I. Discovery of Optimal Zeolites forChallenging Separations and Chemical Transformations using PredictiveMaterials Modeling. Nat. Commun. 2015, 6, 5912. [12] Maghsoudi,H.; Soltanieh, M.; Bozorgzadeh, H.; Mohamadalizadeh, A. Adsorption Isothermsand Ideal Selectivities of Hydrogen Sulfide and Carbon Dioxide over Methanefor the Si-CHA Zeolite: Comparison of Carbon Dioxide and Methane Adsorptionwith the All-silica DD3R Zeolite. Adsorption 2013, 19, 1045#8722;1053. [13] Rose,M.; Bo#776;hlmann, W.; Sabo, M.; Kaskel, S. Chem. Commun. 2008, 21, 2462#8722;2464. [14] Martin,R. L.; Niknam Shahrak, M.; Swisher, J. A.; Simon, C. M.; Sculley, J. P.;Zhou, H.-C.; Smit, B.; Haranczyk, M. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 20037#8722;20042. [15] Makal,T. A.; Li, J.-R.; Lu, W.; Zhou, H.-C. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 7761#8722;7779. [16] 许红,童敏曼,吴栋,肖刚, 阳庆元,刘大欢,仲崇立. 金属-有机骨架材料用于去除天然气中H2S的计算研究. 物理化学学报Acta Phys. January-Chim. Sin. 2015, 31 (1), 41-50. |
