Молекулярное моделирование и априорные расчеты адсорбционных равновесий растворов неэлектролитов

• Автор: Бородулина, Маргарита Васильевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил

Содержание
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Молекулярные теории растворов
1.1.1. Методы Монте-Карло и молекулярной динамики
1.1.2. Строгие аналитические теории
1.1.2.1. Теория возмущений
1.1.3. Приближенные модели растворов
1.1.3.1. Решеточные и ячеечные теории
1.1.3.2. Растворы г-меров
1.1.3.3. Модели ассоциированных растворов
1.2. Адсорбция растворов неэлектролитов
1.2.1. Метод избытков Гиббса
1.2.2. Метод полного содержания
1.2.3. Молекулярные теории адсорбционных растворов
1.2.3.1. Строгие теории и ЧЭ
1.2.3.2. Решеточные модели
1.2.3.2.1. Адсорбция растворов неэлектролитов на гладких поверхностях
1.2.3.2.2. Кластерный подход
1.2.4. Теоретический расчет адсорбционных равновесий в бинарных и многокомпонентных системах
2. Экспериментальная часть
2.1. Описание адсорбции растворов неэлектролитов на макропористых адсорбентах
2.2. Описание адсорбции растворов неэлектролитов на активных углях
2.3. Априорные расчеты адсорбционных равновесий на микропористых адсорбентах в бинарных системах
2.3.1. Подробный алгоритм расчета
2.3.2. Результаты расчетов
Выводы
Список литературы
Приложение

Введение
Актуальность темы:
Большое количество промышленных технологий по очистке, разделению смесей веществ, улавливанию загрязнений в заводских выбросах, ряд методов качественного и количественного анализа соединений и др. основаны на сорбционных методах. Количество смесей, подлежащих улавливанию, разделению, очистке и т.п. непрерывно возрастает и, в этой связи, одной из важнейших задач теории адсорбции является разработка расчетных методов поиска высокоселективных адсорбционных систем, обеспечивающих высокую эффективность соответствующих адсорбционных процессов, поскольку такой поиск на основе экспериментальных исследований весьма трудоемок и редко позволяет найти оптимальные условия проведения соответствующего процесса.
Если при адсорбции индивидуальных газов и паров такая задача в основном решена как на термодинамическом, так и на молекулярном уровнях, то для адсорбции паровых и, особенно, жидких смесей весьма актуальными являются задачи количественного описания экспериментальных изотерм адсорбции компонентов смесей и разработка теоретических методов поиска высокоселективных адсорбционных систем, позволяющих априорно рассчитывать равновесные характеристики адсорбции бинарных и, далее, многокомпонентных смесей на основе минимального объема экспериментальных данных. В этой связи, возникает дополнительная задача - создание компьютерного банка данных, как базы для расчета практически важных, но экспериментально не исследованных систем.
Данная работа проводилась по плану научно - исследовательских работ химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова по теме: «Разработка теории и методов разделения смесей веществ и получение особо чистых веществ», номер государственной регистрации 01.09.60. № 012798 и

в соответствии с координационным планом Научного Совета РАН по Адсорбции и Хроматографии - шифр 2.15.1. Работа поддержана фантом РФФИВНШ-1 № 00-15-97346.
Цель исследования:
Основными задачами настоящей работы являлись разработка методов теоретического описания изотерм избыточной адсорбции компонентов растворов неэлектролитов на различных адсорбентах на основе простой решеточной модели Оно-Кондо-Арановича и анализ получаемых физикохимических характеристик соответствующих адсорбционных систем и, в частности, оценка возможности расчета площади поверхности макропористых адсорбентов на основе данного метода, а также дальнейшее развитие и уточнение «Метода Характеристических Кривых», как универсального метода априорных расчетов адсорбционных равновесий бинарных и многокомпонентных флюидов (газы, пары, жидкости) на микропористых адсорбентах.
Задачи исследования:
• Анализ возможности количественного описания изотерм избыточной адсорбции компонентов бинарных растворов неэлектролитов на макропористых и микропористых адсорбентах по одно- и двуслойной моделям Оно-Кондо- Арановича;
• Анализ физической достоверности параметров этих моделей, получаемых в результате расчетов (энергетические параметры, составы слоев адсорбата и емкость монослоя) и расчет площади поверхности макропористых адсорбентов;
• Определение числа слоев адсорбционной фазы в рамках метода полного содержания при адсорбции на макропористых адсорбентах;
• Модификация уравнений подобия в методе характеристических кривых и проверка эффективности их применения при априорных

Вернова и Стила [50,51]. При этом авторы получили не только характеристики взаимной ориентации молекул в поверхностном слое, но и условия поверхностных фазовых переходов.
1.2.3.2 Решеточные модели
1.2.3.2.1. Адсорбция растворов неэлектролитов на гладких поверхностях
Первые работы по модельной молекулярно-статистической теории адсорбции из строго регулярных растворов на плоской границе принадлежат известным японским ученым С.Оно и С.Кондо [52]. В рамках решеточой модели была вычислена статистическая сумма полимолекулярного слоя -бинарного регулярного раствора, имеющего плоскую границу с вакуумом. Рассматривались плоско-параллельные слои молекул. Состав п-го слоя задавался мольными долями компонентов М(«) и М2 (п). Полученные уравнения равновесия имеют следующий вид: для первого слоя:
дг (2) _ к (1) = (2г + ге)Р - Щ (Ш _ г„[1-2лг,(°о)] +кт (1)[1 - а, Н] а ^
2^ 2Zti 2,, А N[ (°о)[1 — N, (1)] ЛЯ. А
(1.35)
для п>1:
нх(п+1)-2а,(п)+мм-1)=у~[м*<°°>-м<^+у'ліпу(гіі (і-зб)
2в 2„А АГ1 (оо)[1 - Мх (я)]
где стд и ав - поверхностные натяжения чистых компонентов; N - число узлов решетки на единице площади каждого слоя молекул; Ъв - число связей молекулы с соседним монослоем; Ъг - число связей молекулы внутри монослоя; Ъ{) - общее число связей молекулы с соседями; к - постоянная