山东省德州市临邑县环境保护局 山东德州 251500
摘要：近年来，全球温室效应越来越严重，随着人们对温室效应危害和影响的认识逐渐加深，人们对二氧化碳的分离捕集也是越来越关注。通过不断的探索和研究，也是产生了诸多的分离方法，比如吸附分离和吸收分离等，而这些方法还存在一定的缺陷，进而相关人员也是提出了耦合分离的方法进行CO2分离捕集，下面，本文就针对ZIF-8/乙二醇体系分离捕集CO2溶解度的模拟计算进行分析，来对其方法进行深入的了解。
关键词：耦合分离；分离捕集；CO2溶解度；模拟计算
前言：对于吸收-吸附的耦合法来说，其具有着显著的优势，能够有效克服单独吸收法所产生的高能耗和吸附分离的效率低问题，实现混合气体的低能耗和高效率分离目的，但此方法还处于实验室探索阶段，还没有实现其工业化应用，这就需要进行吸收-吸附的耦合分离法热力学的理论模型建立，来对分离捕集CO2溶解度进行模拟计算，这也是本文主要研究的内容。
1.ZIF-8/乙二醇体系三步分离气体混合物机理
本文主要研究ZIF-8/乙二醇浆液体系中三步分离气体混合物的机理，通过乙二醇的溶液进行吸收分离，ZIF-8表面的乙二醇膜进行选择渗透，ZIF-8来进一步的选择吸附，而ZIF-8为一种有机配体和金属离子借助分子的自组装而形成新型的多孔材料。在此分离的机理上，本文首先通过Patel-Teja的状态方程和Kurihara 等所提出局部组成的概念混合规则进行结合，来对乙二醇能够吸收的纯气体进行计算，来达到其汽液相的平衡状态气液两相逸度，来对气体组分和乙二醇间二元交互的作用参数进行确定。后通过单分子层的吸附方程来对单位质量的ZIF-8其干材料对纯气体吸附进行计算，来达到其气固相的平衡状态吸附量，并对吸附的方程各参数进行确定。最后，在ZIF-8/乙二醇捕集的纯气于气液固其三相平衡的状态中，进行ZIF-8 表面的乙二醇膜选择的渗透压计算，并把渗透压和气体组分的平衡逸度实施关联，来得出二者间关联式，把确定热力学的模型应用在气体的混合物分离计算中[1]。
2.热力学模型建立
2.1气体在乙二醇中的吸收平衡模型
因为乙二醇是极性的溶液，通过常规性立方形的状态方程和van der Walls 单流体的混合规则进行结合，是不能对该体系汽液相的平衡进行准确的描述，则本文通过Patel-Teja的状态方程和Kurihara等所提出局部组成的概念混合规则进行结合，来进行体系逸度的计算。三参数中， PT 状态的方程式如下式所示：
在上式（2）内，qmi是组分i最大的吸附量，单位为mol?g-1；fi是组分i于气相内分逸度，是可以通过状态方程进行计算的；Ki是组分i其Langmuir的常数。
3.ZIF-8表面乙二醇膜的渗透压
在耦合分离的整个过程中，乙二醇不仅具有对ZIF-8吸收、分离与分散的作用，并且乙二醇和ZIF-8上的2-甲基咪唑配体还具有亲和作用，能够使其于ZIF-8的表面富集产生比乙二醇其主体相的密度更大液体膜状的结构。在ZIF-8/乙二醇的浆液和气体发生接触时，则溶解在乙二醇内气体的分子就必须要克服其ZIF-8表面内乙二醇膜阻力，才能够被ZIF-8所吸附，因此气体于乙二醇内吸收压力和气体于 ZIF-8内吸附的压力间就存在一压力差，也就是膜渗透压。
此膜渗透压和气液固三相的平衡逸度 fe以及气体的组成相关，fe能够通过实验平衡的压力 Pe与气体的组成来获取，而通过实验能够测得浆液对气体捕集的总量 N，包括有乙二醇的吸收量与ZIF-8的吸附量。同时乙二醇的吸收量可以于实验温度与平衡压力条件下，由PT的状态方程进行计算获得，而总量减去其乙二醇的吸收量就是ZIF-8的吸附量[2]。
按照Langmuir吸附的方程式与ZIF-8的吸附量就能够进行吸附的逸度fad计算，进而计算出膜的渗透压Pos。
4.分离捕集CO2预测的计算
要先对ZIF-8其干材料对混合料分离的效果进行考察。根据Langmuir 吸附的方程式能够计算获取混合物其各组分于ZIF-8 干材料内被吸附的实际量，后能够计算出各组分中被吸附摩尔的分数，也就能够得出ZIF-8 材料对气体的混合物分离效果。
ZIF-8和乙二醇所形成浆液内，如果ZIF-8含量增加，就能够提升分离的效果，但是浆液黏度也是会随着增大的，对实际分离的过程连续操作造成了影响。通过实验的研究将ZIF-8于 ZIF-8/乙二醇浆液内适宜质量的分数确定为0.167，通过PT的状态方程和Langmuir吸附的方程能够预测出气体其混合物于ZIF-8/乙二醇浆液内吸收-吸附的分离结果。
结语：通过计算结果能够表明，在本文的模型具有计算的结果和实验数据实施比较好的。因为三相平衡的计算存在较多的影响因素，在现阶段本研究的体系中还存在实验数据的有限，同时实验数据可能也存在一定的误差，但是尽管一些计算值和试验点是存在较大偏差的，而模型的计算结果在总体是能够对ZIF-8/乙二醇浆液体系分离捕集 CO2效果变化的趋势进行正确的描述，能够对实际的分离过程设计具有一定指导意义。
参考文献：
[1]张喆. ZIF-8/乙二醇—水浆液体系吸收—吸附耦合分离气体混合物[D].00031-00032.
[2]宗杰, 马庆兰, 陈光进, et al. ZIF-8/乙二醇体系分离捕集CO_2溶解度的模拟计算[J]. 化工学报, 2018, 69(10):2+146-153.
论文作者:王红梅
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/12
标签：气体论文; 浆液论文; 逸度论文; 方程论文; 混合物论文; 渗透压论文; 状态论文; 《防护工程》2019年9期论文;