醇和水分离膜材料的分子设计.pdf

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1、醇和水分离膜材料的分子设计赵志鹏2015年1月中图分类号：TQ021.4UDC分类号：66.03醇和水分离膜材料的分子设计作者姓名赵志鹏学院名称化工与环境学院指导教师邓文生副教授答辩委员会主席周智明教授申请学位工学硕士学科专业化学工程与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月MoleculardesignofmembranematerialsforalcoholandwaterseparationCandidateName：ZhipengZhaoSchoolorDepartment:ChemicalEngineeringandEnviromentFacul

2、tyMentor:ViceProf.WenshengDengChair,ThesisCommittee：Prof.ZhimingZhouDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ChemicalEngineeringandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January2015北京理工大学硕士学位论文摘要膜分离技术的关键基础之一是膜材料，小分子在渗透汽化和气体分离等过程的选择渗透性是由其溶解-扩散行为决定的，近些年分子模拟手段预测膜内小分子的

3、热力学及动力学行为也得到了广泛的研究。本文的目的是以一种已报道的膜材料为基础设计出一种能够分离低浓度乙醇和水溶液的分离膜材料，它对于乙醇和水分子在其中具有较好的选择透过性，乙醇分子更加容易通过。本文中通过使用分子模拟的手段对膜材料进行计算，可以节省不必要的实验时间，避免了实验过程中的盲目性，最主要的是可以给实验提供强有力的理论依据。本文主要是利用分子模拟软件MaterialStudios，模拟计算了水分子和乙醇分子在三种不同的温度下(318K,328K,338K)由嵌段式聚合物共聚聚酰亚胺-聚硅氧烷(6FDA/oODMS)模拟制备的分离膜中的溶解度系数和扩散系数。首先是

4、以MS构件PDMS膜和6FDA/8m膜的晶胞模型，计算了O2和CO2分别在PDMS和6FDA/8m中的扩散系数和溶解度系数，验证了方法的可行性。之后使用相同的软件构建6FDA/oODMS的晶胞模型，在分子动力学的基础上计算在不同温度下、不同ODMS构成的膜材料中水分子和乙醇分子的溶解度系数和扩散系数。通过比较分析发现，当分离膜中ODMS的片段增多时，乙醇分子的渗透系数相对的就会增大，这是因为ODMS片段增多，分子链变长的同时，分子链之间的空隙增大，体系内的自由体积增大，变得更加有利于分子体积较大的乙醇分子通过。在模拟的过程中还可以发现，乙醇分子和水分子在膜中的扩散会受到

5、另外一种组分的影响，所以会存在一些数值结果具有差别的现象。同时发现水分子和乙醇分子在每一个温度下，乙醇分子总是在6FDA/6ODMS膜中具有最大的渗透系数，同时水分子在6FDA/6ODMS膜中具有最小的渗透系数值，因而在此时分离膜具有最佳的渗透选择性，即6FDA/6ODMS膜是最佳的分离膜材料；在不同的温度下，在318K时，乙醇分子不仅具有最大的渗透系数，同时水分子也具有最小的渗透系数，此时的6FDA/6ODMS膜具有最佳的水和乙醇分子渗透选择性系数，因而认为318K下的6FDA/6ODMS膜是最佳的膜设计方案。关键词：MaterialStudio；6FDA/oODMS

6、膜；溶解度系数；扩散系数I北京理工大学硕士学位论文AbstractThekeyfoundationofmembraneseparationtechnologyisthemembranematerial.Thepermselectivityofpervaporationandgasseparationprocessweredecidedbythedissolve-diffusionbehaviorofsmallmoleculeinthepolymer.Inrecentyears,themolecularsimulationhadbeenappliedtopredictth

7、ethermodynamicsanddynamicsofsmallmoleculesinthemembrane.Thepurposeofthispaperwastodesignthemembranematerialbasedontheliteraturereported.Thedesignedmaterialcanbeusedtoseparatethelowconsistencyethanolandaqueoussolution.Ithadabetterpermselectivityofethanolandwatermolecules.I