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溴化鋰水溶液微觀特性的分子動(dòng)力學(xué)研究
來源：朱蓓蓓 瀏覽 1457 次 發(fā)布時(shí)間:2022-10-28
溴化鋰吸收式制冷機(jī)具有廣闊的市場前景。在吸收式制冷系統(tǒng)中，發(fā)生在吸收器中的溴化鋰濃溶液吸收水蒸氣的過程是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵階段，而提高吸收速率一直被認(rèn)為是提高系統(tǒng)效率和減少交換面積的重點(diǎn)。在溴化鋰水溶液中加入少量的異辛醇等表面活性劑后，可以極大地提高吸收過程的傳熱傳質(zhì)能力。表面活性劑具有顯著的強(qiáng)化吸收作用，國內(nèi)外的學(xué)者也在這方面做了許多研究，但尚未得到清晰的和公認(rèn)的解釋。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，從微觀角度研究表面活性劑的吸收促進(jìn)機(jī)理，以求豐富和改進(jìn)現(xiàn)有的表面活性劑強(qiáng)化吸收的理論。
主要研究成果歸納如下：采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了溫度對水的氣液界面微觀結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)：液相密度是溫度的減函數(shù)，界面厚度是溫度的增函數(shù)；界面的存在對水分子局部結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，但對水分子的取向有影響：界面處水分子的偶極方向平行于界面，但隨著溫度的升高，界面對水分子取向的影響越來越??；溫度幾乎不改變水分子的局部結(jié)構(gòu)；液相處，平均每個(gè)水分子形成氫鍵的數(shù)目幾乎穩(wěn)定于某一數(shù)值，并且是溫度的減函數(shù)，隨著水分子到達(dá)界面處，氫鍵的數(shù)目單調(diào)減少。采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了溫度和濃度對溴化鋰水溶液氣液界面微觀結(jié)構(gòu)的影響。
發(fā)現(xiàn)：溴化鋰水溶液的液相密度是濃度的增函數(shù)，界面厚度是濃度的減函數(shù)，而溫度對液相密度和界面厚度的影響與濃度對其的影響相反；界面的存在并未影響離子周圍水分子的局部結(jié)構(gòu)和取向有序性；隨著溫度的升高，離子周圍水分子取向的有序性不再那么明顯；溴化鋰水溶液濃度的改變對離子周圍水分子取向分布的影響不大；溫度和濃度的改變對離子周圍水分子局部結(jié)構(gòu)的影響不大。采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了醇類添加劑的數(shù)目對醇-水的混合物氣液界面微觀結(jié)構(gòu)的影響。
模擬結(jié)果表明：醇分子吸附在氣液界面處，并在界面處優(yōu)勢取向；短鏈醇具有較強(qiáng)的溶解性；當(dāng)正辛醇、異辛醇或正癸醇的數(shù)目較少時(shí)，醇分子在氣液界面處形成單層，隨著醇分子數(shù)目的增加，在氣液界面處形成雙層；界面厚度是醇分子數(shù)目的增函數(shù)。采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了醇類添加劑的種類、數(shù)目及溴化鋰水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對醇-溴化鋰水溶液混合物氣液界面微觀結(jié)構(gòu)的影響。
模擬結(jié)果表明：正烷醇分子吸附在氣液界面處，并在界面處優(yōu)勢取向，并且這種優(yōu)勢取向隨著正烷醇數(shù)目的增加而更加顯著；界面厚度是正烷醇數(shù)目和烴基鏈長度的增函數(shù)；隨著正烷醇數(shù)目的增加，烴基鏈垂直于界面的方向有序性更加明顯；離子與正烷醇中羥基存在著相互作用；正丁醇或異辛醇關(guān)于溴化鋰水溶液的溶解性是溴化鋰水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減函數(shù)，符合鹽析效應(yīng)理論。采用Daiguji等提出的模型，將醇分子置于吸收端溴化鋰水溶液的兩個(gè)氣液界面處，采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究非平衡條件下，醇類添加劑對溴化鋰水溶液吸收水蒸氣的影響。
模擬結(jié)果表明：正丁醇、正已醇、正辛醇、異辛醇、正癸醇均在溴化鋰水溶液吸收水分子的過程中表現(xiàn)出強(qiáng)化作用，與實(shí)驗(yàn)趨勢是吻合的。對表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)研究。采用表面張力儀測量了常溫下水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的溴化鋰水溶液的表面張力，與文獻(xiàn)中的測量值接近。測量了單獨(dú)添加正已醇、正辛醇、異辛醇、仲辛醇以及兩兩混合前述物質(zhì)后的溴化鋰水溶液的表面張力，發(fā)現(xiàn)添加兩種添加劑后溶液的表面張力與單獨(dú)添加時(shí)較低的張力值接近。采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了溫度、濃度對水及溴化鋰水溶液表面張力的影響。
計(jì)算結(jié)果表明：水和溴化鋰水溶液表面張力的計(jì)算值小于實(shí)驗(yàn)值，但隨著溫度、濃度的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)趨勢是一致的。采用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算了分別加有正丁醇、正已醇、異辛醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的溴化鋰水溶液的表面張力，發(fā)現(xiàn)添加劑都能一定程度地降低溶液的表面張力；同時(shí)計(jì)算了加有不同數(shù)目正辛醇的溴化鋰水溶液的表面張力，發(fā)現(xiàn)溴化鋰水溶液的表面張力是正辛醇數(shù)目的減函數(shù)，與實(shí)驗(yàn)趨勢一致。