Введение к работе
Актуальность работы. Адсорбционные процессы находят широкое [рименение при решении разнообразных задач: разделении смесей веществ, ащите окружающей среды от вредных технологических выбросов, возвращении в ехнологаческие циклы ценных компонентов, создашш регулируемых защитных тмосфер, гель- и адсорбционной хроматографии и т.п. Для понимания и :еленаправленного использования перечисленных выше процессов и явлений [еобходимы детальные теоретические исследования поведения неоднородных гаюидных систем вблизи адсорбирующих поверхностей. Данные системы тносятся к классу малых систем, характеризуемых тем, что их размеры хотя бы одном измерении сравнимы с молекулярными размерами; так, толщина :оверхностного слоя между двумя сосуществующими фазами для простых шюидов не превышает, как правило, нескольких молекулярных диаметров. К аким системам, в первую очередь, относятся межфазовые поверхностные слои, вободные и адсорбционные пленки, микрообразования конденсированных фаз микрокристаллы, микрокапли, называемые кластерами). Очевидно, что малые исгемы являются сильно неоднородными и, следовательно, свойства таких истем значительно отличаются от свойств соотаетствуютцих макроскопических газ, а их изучение представляет сложную проблему как для теории, так и для еального физического эксперимента.
Наиболее важным при исследования адсорбционных систем является опрос о локальной структуре, поскольку ее знание является базой для пределения других равновесных характеристик. Возможности физического ксперимента (ядерно-магнитного резонанса, дифракции рентгеновских лучей, втоионной и автоэлектронной спектроскопии и т.д.) для изучения ряда свойств цсорбционных систем оказываются ограниченными из-за сильной еоднородности таких систем. В результате экспериментальных исследований аще всего удается получать средние свойства систем, а не их локальные арактеристики.
В связи с этим становится очевидным, что в изучении адсорбционных истем особая роль может принадлежать численному моделированию, бладающему целым рядом преимуществ и в ряде случаев открывающему ущественно новые возможности. В частности, он позволяет выявлять олекулярные механизмы адсорбции. Численный эксперимент (ЧЭ) занимает ромежуточное положение между теорией и реальным экспериментом. С точки эения теории ЧЭ обладает уникальными возможностями получения данных для
различных модельных систем, рассматриваемых в теории. Для реальных ж систем ЧЭ может дополнить результаты физического эксперимента детально информацией о структуре исследуемых систем на молекулярном уровне. I методам численного моделирования, в первую очередь, относятся методы Монте Карло (МК) и молекулярной динамики (МД). Метод МД состоит : интегрировании уравнений движения совокупности молекул, взаимодействуюпщ согласно заданному потенциалу межмолекулярного взаимодействия. Метод МК : статистической термодинамике - это метод расчета средних по ансамблю пр] генерировании цепи большого числа случайных конфигураций. Оба метода : равной мере позволяют получать равновесные свойства систем, но метод Щ помимо этого может давать информацию о кинетических коэффициентах.
Цель работы. Данная работа посвящена изучению адсорбции в щелевидны порах графита методами ЧЭ - МК и МД. При этом в качестве адсорбаг. рассматривались бинарные леннард-джонсовские системы и однокомпонентны молекулярные флюиды. Интерес к исследованию многокомпонентных растворо: объясняется, в первую очередь, тем, что знание характеристик избирательно] адсорбции необходимо в целом ряде технологических процессов, о которы говорилось выше. Именно поэтому нами ставилась задача изучении адсорбционных характеристик и коэффициентов диффузии компоненто] бинарного леннард-джонсовского флюида в зависимости от состава раствора температуры и ширины щелевидной поры графита. Эта проблема представляє' большой интерес для выявления молекулярных механизмов селективної адсорбции, в частности, селективности мембран, используемых во многи: областях химии. Следует отметить, что диффузия для бинарных систем в порах і рамках ЧЭ исследуется впервые.
Второй задачей данной работы было изучение адсорбции этана, который пс отношению к благородным газам является более сложным молекулярныл веществом. При изучении двухатомных молекул (каковыми в рассматриваемо!1 модели являются молекулы этана) наряду с трансляционным движением можнс говорить и о вращательном движении. Этан является простейшш представителем низших углеводородов, изучение которых представляє! исключителыгую практическую ценность как представителя природных газов. I литературе имеются данные по моделированию диффузии в порах в основнох для чистых благородных газов, молекулярные жидкости практически ш рассматривались, исключением является вода. В связи с этим ставилась задаче
зучения влияния структуры адсорбата на свойства этана в порах, в частности, і коэффициенты диффузии, в том числе и вращательной, а также на условия существования жидкость-пар для этана в щелевидных порах графита.
Научная новизна. Работы по исследованию методами ЧЭ кинетических юйств адсорбированных флюидов пока не слишком многочисленны. В істоящей работе впервые исследовапась диффузия для бинарных систем в порах рамках численного эксперимента. Впервые проведено исследование ээффициентов диффузии этана, в том числе и вращательной, а также условий существования жидкость-пар для этана в щелевидных порах графита.
Практическая ценность работы определяется тем, что составлен пакет эограмм для расчета коэффициентов диффузии в бинарных адсорбционных істемах методом МД. Разработаны программы для исследования условий существования жидкость-пар и коэффициентов диффузии этана в щелевидных эрах графита. Показано, что достаточно простая двухцентровая модель для олекулы этана адекватно описывает его адсорбцию в порах графита.
Положения, выносимые на зашиту:
- локальная структура адсорбата в узких порах оказывает сильное влияние
1К на характер диффузии, которая становится анизотропной, так и на величину
ээффициентов диффузии;
- изменение состава исходного раствора приводит к количественному
іменению коэффициентов диффузии во всех порах, хотя основные тенденции в
висимости коэффициентов диффузии от ширины поры сохраняются;
зависимость адсорбционных характеристик этана от ширины поры носит кой же характер, как и при адсорбции простых леннард-джонсовских флюидов;
сравнение с экспериментом по исследованию коэффициентов диффузии ана методом ядерно-магнитного резонанса дает удовлетворительное согласие, ээтому можно сделать вывод, что используемая в работе модель адекватно шсывает адсорбцию этана в порах графита.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на VIII ждународной конференции "Теория и практика адсорбционных процессов" Досква 1996), Всероссийской научной конференции "Теория и практика іссообменньгх процессов химической технологии" (Марушкинские чтения) гфа 1996).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 научных іботах, в том числе 4 статьях и в тезисах 2 докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаи выводов и заключения, списка литературы, всего 172 страницы, из них 12! страниц текста. Библиография содержит 180 ссылок; число рисунков 34, таблиі 12.
