MCM-22和β分子篩中苯和丙烯表面擴散的KMC模擬.pdf

1、MCM-22是一種新型的高硅分子篩，它同時具有十元環(huán)和十二元環(huán)兩種完全獨立，互不相通的孔道結(jié)構(gòu)。β分子篩是唯一具有三維十二元環(huán)孔道結(jié)構(gòu)的大孔高硅沸石。由于這兩種大孔分子篩具有獨特的孔道結(jié)構(gòu)、高的熱穩(wěn)定性、大的表面積以及良好的催化性能，而使其在石油催化方面具有極大的應(yīng)用前景。近年來關(guān)于苯和丙烯在MCM-22和β分子篩中擴散的實驗和分子模擬研究已有報道，但是有關(guān)苯和丙烯擴散的濃度依賴關(guān)系數(shù)據(jù)卻非常稀少，開展這方面的研究對于這兩類分子篩的合成

2、及工程應(yīng)用具有學術(shù)和實用意義。 本文以苯和丙烯的烷基化反應(yīng)為應(yīng)用背景，用校正的KineticMonteCarlo(KMC)方法計算了苯和丙烯單組分及雙組分混合物在MCM-22和β分子篩中擴散系數(shù)的濃度依賴關(guān)系，并將計算結(jié)果與描述多孔介質(zhì)中表面擴散的Maxwell-Stefan(M-S)理論進行比較和相互印證，初步揭示了擴散分子在兩種分子篩中的運動特征。研究得到以下主要結(jié)論： (1)對苯和丙烯在MCM-22分子篩中的擴散研

3、究表明： 對二維正弦通道內(nèi)苯和丙烯的單組分擴散以及超籠中丙烯的擴散，KMC模擬結(jié)果和M-S理論預測結(jié)果一致；但苯在超籠中的擴散則需要考慮其分子間作用力并利用擬化學近似理論中的R-E模型計及分子對對作用參數(shù)f，使模擬與理論預測結(jié)果達到一致；而且給出苯分子在超籠中擴散的分子間對對作用參數(shù)f的具體值，并由f的取值推斷在超籠中擴散苯分子之間存在引力作用。KMC模擬結(jié)果還揭示了苯和丙烯在超籠中的自擴散系數(shù)的存在尺度效應(yīng)或階梯躍變現(xiàn)象，其物

4、理機制是分子更傾向于在超籠內(nèi)擴散，超籠結(jié)構(gòu)對其中擴散的分子有滯留作用。 對于雙組分擴散來說，M-S理論可以較好的描述兩種通道內(nèi)分子的自擴散系數(shù)，可以利用單組分的擴散數(shù)據(jù)來預測雙組分的自擴散系數(shù)；但對于M-S擴散系數(shù)，由于缺乏對分子間力的考慮，模擬結(jié)果和理論之間相差較大。但是在總的趨勢上，二維平面通道和超籠中的擴散系數(shù)均隨著覆蓋率的增大而減小。 (2)對苯和丙烯在β分子篩中的擴散研究表明： 對于丙烯的單組分擴散，M

5、-S理論可以很好的描述丙烯在β分子篩中的擴散；對于苯在其中的擴散，則需要通過R-E理論進行將KMC方法和M-S理論進行修正，可以得到較理想的M-S擴散系數(shù)的濃度依賴關(guān)系，并由f的取值推斷出在β分子篩這種十二元環(huán)的大孔道沸石中被吸附的苯分子之間是引力作用。 對于混合物的擴散，M-S理論可以很好的預測苯和丙烯的自擴散系數(shù)濃度依賴關(guān)系，對于M-S擴散系數(shù)還有一定的偏差，但是KMC的模擬結(jié)果在趨勢上與M-S理論是一致的，擴散系數(shù)均隨著覆