分子筛吸附CO2，分子模拟试试看

设计大赛中有些队伍会遇到从乙烯中脱除二氧化碳的过程，方法多种多样，碱洗、醇胺吸收、膜分离、亦或者是变压吸附。变压吸附则需要用的分子筛等吸附剂，分子筛吸附的温度和压力则对分子筛的吸附能力有着很大的影响。对于某一种确定结构的分子筛，其对某一种气体的吸附或多种气体的竞争吸附可以通过分子模拟进行研究。这篇推送就作为一个模拟分子筛吸附二氧化碳的范例，由于本人新手上路，所以翻车也是大概率的，多多包涵。

软件使用Materials Studio（以下简称MS），由于仅仅是一个范例，就使用MS自带的分子筛结构案例，因此吸附效果就比较看运气了。主要用到MS的Forcite和Sorption模块。

分子筛的结构已经有了，下面还需要构建二氧化碳的结构，在MS中绘制出CO₂的分子，此时的分子并不是稳定构型，由于二氧化碳是直线型结构，因此主要的就是键长的优化，Forcite模块运用分子动力学的方法对分子进行几何优化。我们需要用到的就是优化后的CO₂结构。

优化前

优化后

接下来就是使用Sorption模块，该模块使用Monte Carlo方法。首先构建2×2×1的超晶胞，然后进行Calculation的设置，需要分别计算不同温度下的吸附等温线（253K~353K）、Henry常数，计算时分别选择Adsorption isotherm和Henry constant即可，选择优化后的CO2构型，CO2分压（注意是指分压）考察0~100kPa范围。选择COMPASS力场，静电相互作用则采用Ewald 加和法，范德华相互作用采用Atom based加和法。

2×2×1的超晶胞

计算6个温度下的6组数据后通过Origin软件绘图得到不同温度下的吸附等温线，以及不同温度下的Henry常数。

吸附等温线可以看出在253K时分压达到60kPa时，吸附已经接近饱和了，但是在其他温度下，考察的压力范围似乎还未达到吸附饱和，且波动较大，感觉这个分子筛可能孔径过大，不太适合吸附CO₂。可以根据吸附等温线的图结合实际确定吸附的最佳温度和压力参数范围。

同时还可以得到每个温度下的吸附能量分布，每一个温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，出现小峰则说明其具有多个不同的吸附位点，该图说明该分子筛具有多个CO₂吸附位点（该分子筛具有多个尺寸的孔道，CO₂在不同位置吸附能量不同）。

选取某一温度压力下的计算结果可以查看CO₂在分子筛中的吸附密度分布，可以确定CO₂主要吸附在哪些尺寸的孔道中。

以上就是运用MS软件模拟分子筛吸附CO₂的过程了，可以辅助确定适宜的操作参数和压力。分子模拟的使用范围非常广，研究体系可以自由搭建，研究结果可以对实验现象进行深入解释，还能考察实验无法研究的问题（例如超高压下的分子行为）。本篇推送只是其中一个研究吸附的例子，为了给大家一个分子模拟的印象，其中不免有错误，还请大家谅解。

参考文献：

[1]刘艳杰,王建萍,孙秀云,苏忠民.CO_2在H-STI分子筛中吸附的分子模拟研究[J].东北师大学报(自然科学版),2007(04):102-105.

[2]黄丽敏,靳强,杨斌,朱学远.位点能量分布理论及其在土壤和沉积物对污染物吸附研究中的应用[J].环境化学,2017,36(11):2424-2433.

[3]高俊炜,陈振乾.分子筛孔结构对CO_2吸附性能的影响[J].化工环保,2016,36(06):661-665.

本期编辑：退役小编叶阳

本期排版：伍青林