氣體分子在聚砜膜中溶解擴散過程的分子模擬.pdf

1、本文使用MaterialsStudio分子模擬軟件，采用巨正則蒙特卡洛法和分子動力學法，對氫氣、乙烯、甲烷、氧氣、氮氣五種氣體分子在聚砜膜中的溶解-擴散過程進行了模擬研究。從微觀角度描述了氣體分子的溶解擴散機理，并且得到了氣體分子在膜中的溶解度系數(shù)和擴散系數(shù)，進而計算求出滲透系數(shù)和選擇性系數(shù)，來表征聚砜膜的分離性能。
　　首先利用分子動力學(MD)法，采用周期性邊界條件，在COMPASS力場下，模擬五種氣體分子在聚砜膜中的擴散過程

2、，得到各氣體的均方位移(MSD)曲線。根據(jù)愛因斯坦方程對MSD曲線進行分析求出各氣體的擴散系數(shù)。結(jié)果表明:在相同溫度下，氫氣的擴散系數(shù)遠大于其他氣體分子，且隨著聚砜鏈長的增加，氣體分子的擴散系數(shù)減小。氣體分子在聚合物膜中的擴散具有協(xié)同效應，混合氣體體系中氣體的擴散系數(shù)大于單一氣體體系中氣體的擴散系數(shù)。另外，氣體分子在膜內(nèi)的擴散是小幅的振動結(jié)合大幅的跳躍進行的，而并不是連續(xù)的。大多數(shù)情況下氣體分子在膜內(nèi)一個空穴中進行振動，運動幅度較小，偶

3、爾跳躍到另一個空穴中繼續(xù)進行小幅振動，符合“空穴跳躍擴散理論”。
　　然后利用巨正則蒙特卡洛法(GCMC)，采用周期性邊界條件，在298K，COMPASS力場下，模擬五種氣體分子在聚砜膜中的溶解過程，得到各氣體的吸附等溫線，并用朗格繆爾方程進行擬合求出各氣體的溶解度系數(shù)。結(jié)果表明:氣體分子在聚砜膜中吸附的個數(shù)隨壓強的增大而增大，當增大到一定程度時，吸附分子的個數(shù)隨壓強的變化幾乎不變，逐漸達到吸附平衡。在相同模擬條件下，氣體在聚砜膜