将高分子链末端接枝到表面而形成的高分子刷属于刺激性反应材料,对蛋白质的表面性质具有很大的影响,一直是实验和理论研究的热点,其在稳定颗粒分散体系、改善材料的生物相容性和改变表面的润湿性等方面有着广泛的应用。在高分子刷的研究中,所形成的一定密度接枝高分子刷的横向均匀性假设完美地解释了高分子刷生物智能通道调控行为引起的生物化学门控效应,以达到使用表面特性制备所谓"智能表面"的目的。而由滑动高分子链接枝而成的滑动高分子刷由于新的自由度的引入使得熵值增大,发现可以对高分子材料的特性进行探究预测,如链段概率分布、链端分布以及在圆柱管道中心有无“开放”通道。这为开发微型和纳米流体装置提供了有用指导。同时高分子刷通道中的物质扩散是一种重要的行为,了解物质扩散对了解生物领域细胞免疫、癌症发展和细菌感染至关重要。本工作使用基于自洽平均场理论(Single Chain in Mean-Field Theory,SCMFT)的单链高分子构象研究,从高分子链本身进行创新设计,采用滑动链引入新的链的链自由度。首先通过SCMFT探讨了场对单链的作用影响,在该理论框架下,发现可以通过调节高分子单链的接枝密度、受限程度和排除体积相互作用对链构象产生影响,影响链段的分布,在单链的情况下向管径中心延申或向管壁附近“塌缩”的一系列自调控行为。进一步使用蒙特卡洛和均值场理论设计将滑动的高分子链接枝成为高分子刷,以进一步了解其物理特性,发现得到的结果与单链均值场理论基本吻合,使得控制管道的“开闭”现象,出现了智能高分子刷的自调控行为。在此模型基础上引入各向同性纳米粒子和各向异性纳米粒子,使得二维模型转变为三维模型,在此条件下探究粒子的扩散及扩散过程中取向分布概率,发现对纳米粒子的行为产生影响,可以通过控制滑动高分子链的接枝密度、受限程度和排除体积相互作用使纳米粒子深入扩散至接枝层,从而探究其熵理论及机制。
天然气既是一种重要的低碳能源,也是一种重要的石油化工原料。为满足运输和使用标准,需对气田采出的天然气进行脱碳、脱氮等净化处理;同时天然气中所含的乙烷可以作为裂解制乙烯的原料,对其进行分离回收具有重要经济价值。本论文针对天然气脱碳、脱氮和乙烷回收提出了新的分离方法,并针对这些新方法开展了热力学和动力学基础研究,以验证其可行性、优选操作条件,为实际应用奠定基础。主要研究内容如下:（1）进行了2-甲基咪唑（2-MeIm）水溶液的介观结构观测、特异性分析和吸收分离CO2/CH4的实验研究。通过冷冻扫描电镜观测,首次发现2-MeIm水溶液具有类似于油包水微乳液的介观结构,解释了其蒸汽压在较低温度范围内和纯水接近、且受2-MeIm浓度的影响很小这一特异性。此外,这种结构对CO2较强的物理吸收和界面吸附作用以及它加热易化解的特点合理地解释了其低CO2吸收热、比醇胺溶液更易加热解吸等其它特异性。此外,实验结果表明高的2-MeIm浓度可降低溶液对CH4溶解度,因此2-MeIm水溶液对CO2/CH4的分离表现出优异的效果。（2）采用Cubic Plus Association（CPA）状态方程和拟化学反应相结合的方法,建立了2-MeIm-H2O-CO2体系的相平衡热力学模型。通过2-MeIm-H2O二元体系和2-MeIm-H2O-CO2三元体系的实验数据拟合得到了2-MeIm的纯组分参数以及2-MeIm-H2O、2-MeIm-CO2的二元参数。该模型可以很好的描述2-MeIm水溶液的饱和蒸汽压、液体密度和VLE数据,在293.15-393.15 K的温度范围内对2-MeIm-H2O-CO2三元体系的VLE数据有较好的拟合效果。该模型的适用范围覆盖了脱碳工艺所涉及到的操作条件,具有实际应用价值。（3）开展了系统的水基浆液法吸收分离CH4/N2、CH4/C2H6相平衡实验研究和模型开发。浆液组成为沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8）/水-乙二醇。测定了单组份气N2、CH4、C2H6在浆液中的吸收等温线,并计算了相应的解吸热,分别为11、13和20 kJ/mol。采用Langmuir方程拟合吸收等温线,取得了理想的效果,表明浆液对气体的吸收作用以其中的固相ZIF-8的吸附作用为主。考察了温度、压力和气/浆体积比对浆液分离CH4/N2、CH4/C2H6性能的影响,根据同温,同压,不同组成混合气的分离结果绘制了P-T-x-y相图,得到了分离CH4/N2、CH4/C2H6混合气所需的最小理论板数。此外,通过引进二元相互作用参数建立了适用于描述混合气-浆液体系相平衡关系的改进Langmuir方程。（4）针对水基ZIF-8浆液吸收速度慢、易起泡等缺点,开发了适用于轻烃回收的高沸点油基ZIF-8浆液,并进行了CH4/C2H6分离的相平衡实验研究。通过考察3种高沸点溶剂:异十六烷、二环己烷和二环己烷醚与ZIF-8混合所得浆液的粘度,密度,稳定性,ZIF-8分散状况和气体吸收量/速率等因素,优选吸收速度快、形成浆液比较稳定的二环己烷作为溶剂。利用ZIF-8/二环己烷浆液进行了CH4/C2H6吸收分离和解吸再生实验研究。结果表明,与水基ZIF-8浆液相比,油基浆液具有气体吸收量大,吸收速度快,真空解吸不产生泡沫等优势,而分离选择性则比较接近。（5）利用ZIF-8/二环己烷浆液在鼓泡塔中进行了CH4/C2H6混合气穿透实验研究。考察了进气流量、温度、压力和不同原料气组成对穿透时间和动力学分离效果的影响,结果表明CH4和C2H6的突破时间差别十分明显,且随气体流量的减少或压力的升高而增大,最大达到565分钟,且乙烷突破后在出口气中的浓度仍上升得比较缓慢,表现出优异的动力学分离效果。
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