設(shè)計(jì)大賽中有些隊(duì)伍會遇到從乙烯中脫除二氧化碳的過程，方法多種多樣，堿洗、醇胺吸收、膜分離、亦或者是變壓吸附。變壓吸附則需要用的分子篩等吸附劑，分子篩吸附的溫度和壓力則對分子篩的吸附能力有著很大的影響。對于某一種確定結(jié)構(gòu)的分子篩，其對某一種氣體的吸附或多種氣體的競爭吸附可以通過分子模擬進(jìn)行研究。這篇推送就作為一個模擬分子篩吸附二氧化碳的范例，由于本人新手上路，所以翻車也是大概率的，多多包涵。

軟件使用Materials Studio（以下簡稱MS），由于僅僅是一個范例，就使用MS自帶的分子篩結(jié)構(gòu)案例，因此吸附效果就比較看運(yùn)氣了。主要用到MS的Forcite和Sorption模塊。


分子篩的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了，下面還需要構(gòu)建二氧化碳的結(jié)構(gòu)，在MS中繪制出CO2的分子，此時的分子并不是穩(wěn)定構(gòu)型，由于二氧化碳是直線型結(jié)構(gòu)，因此主要的就是鍵長的優(yōu)化，F(xiàn)orcite模塊運(yùn)用分子動力學(xué)的方法對分子進(jìn)行幾何優(yōu)化。我們需要用到的就是優(yōu)化后的CO2結(jié)構(gòu)。

接下來就是使用Sorption模塊，該模塊使用Monte Carlo方法。首先構(gòu)建2×2×1的超晶胞，然后進(jìn)行Calculation的設(shè)置，需要分別計(jì)算不同溫度下的吸附等溫線（253K~353K）、Henry常數(shù)，計(jì)算時分別選擇Adsorption isotherm和Henry constant即可，選擇優(yōu)化后的CO2構(gòu)型，CO2分壓（注意是指分壓）考察0~100kPa范圍。選擇COMPASS力場，靜電相互作用則采用Ewald 加和法，范德華相互作用采用Atom based加和法。


計(jì)算6個溫度下的6組數(shù)據(jù)后通過Origin軟件繪圖得到不同溫度下的吸附等溫線，以及不同溫度下的Henry常數(shù)。


吸附等溫線可以看出在253K時分壓達(dá)到60kPa時，吸附已經(jīng)接近飽和了，但是在其他溫度下，考察的壓力范圍似乎還未達(dá)到吸附飽和，且波動較大，感覺這個分子篩可能孔徑過大，不太適合吸附CO2?？梢愿鶕?jù)吸附等溫線的圖結(jié)合實(shí)際確定吸附的最佳溫度和壓力參數(shù)范圍。

同時還可以得到每個溫度下的吸附能量分布，每一個溫度下得到的都是近似的峰形。它表示的是不同吸附能量的CO2占所有吸附CO2的比，出現(xiàn)小峰則說明其具有多個不同的吸附位點(diǎn)，該圖說明該分子篩具有多個CO2吸附位點(diǎn)（該分子篩具有多個尺寸的孔道，CO2在不同位置吸附能量不同）。


選取某一溫度壓力下的計(jì)算結(jié)果可以查看CO2在分子篩中的吸附密度分布，可以確定CO2主要吸附在哪些尺寸的孔道中。

以上就是運(yùn)用MS軟件模擬分子篩吸附CO2的過程了，可以輔助確定適宜的操作參數(shù)和壓力。分子模擬的使用范圍非常廣，研究體系可以自由搭建，研究結(jié)果可以對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行深入解釋，還能考察實(shí)驗(yàn)無法研究的問題（例如超高壓下的分子行為）。本篇推送只是其中一個研究吸附的例子，為了給大家一個分子模擬的印象，其中不免有錯誤，還請大家諒解。