通过CO2吸附等温线和分子模拟预测CHA沸石中的焦炭沉积

《ACS Omega》：Coke Deposition in CHA Zeolite Predicted by CO2 Adsorption Isotherms and Molecular Simulation

分子筛失活机制研究：基于CO2吸附等温线的分子模拟模型构建及其在CHA、LTA和SAPO-34中的应用。

　　分子筛在石油和石化工业中的催化与吸附过程中，常因焦炭沉积而逐渐失活。本研究提出了一种利用二氧化碳吸附等温线与分子模拟模型相结合的方法，以更全面地解析焦炭沉积对分子筛性能的影响。通过构建具有多种阳离子混合的天然沸石CHA的分子模型，并结合实验数据进行验证，研究团队成功开发了一个能够预测焦炭沉积与失活关系的模拟框架。这一方法不仅为工业应用提供了新的视角，还揭示了焦炭沉积的微观机制，从而为分子筛的再生和性能优化提供了理论依据。

在实际工业操作中，分子筛通常用于天然气脱水，这一过程通过温度切换吸附（TSA）技术实现。然而，随着操作时间的延长，较重的碳氢化合物（如C4+）会在分子筛中逐渐沉积，导致其吸附性能下降。这些碳氢化合物在高温条件下可能进一步发生聚合反应，形成焦炭，从而堵塞微孔结构，影响吸附效率。传统上，焦炭的分析主要依赖于化学分析技术（如元素分析、傅里叶变换红外光谱和热重分析），但这些方法往往无法提供关于焦炭在分子筛中分布和结构的详细信息。因此，研究团队提出了一种结合分子模拟与实验吸附数据的新方法，以更精确地描述焦炭沉积的性质及其对吸附性能的影响。

研究中使用的模型基于实验数据，通过将不同种类的焦炭分子（如正庚烷、苯和萘）作为代表，模拟其在CHA结构中的沉积过程。这些分子分别对应于线性脂肪族焦炭、单环芳香族焦炭和多环芳香族焦炭。通过比较模拟与实验结果，团队发现正庚烷在模拟中表现最佳，能够准确反映实验中观察到的焦炭沉积趋势。此外，模拟结果表明，随着焦炭浓度的增加，二氧化碳吸附量呈现出显著的下降趋势，这一变化与焦炭沉积引起的微孔体积损失密切相关。这表明，焦炭沉积的主要机制是物理堵塞，而非化学反应的直接破坏。

为了验证该模型的适用性，研究团队还将其应用于其他类型的分子筛，如LTA和SAPO-34。对于LTA分子筛，团队发现其在不同温度条件下的焦炭沉积表现出不同的行为，尤其是在较高温度下，芳香族焦炭的形成更为显著。这一发现与文献中关于高温促进芳香族焦炭生成的结论一致。而在SAPO-34分子筛中，模拟结果显示，随着焦炭浓度的增加，苯和萘的模拟数据分别与实验数据在低浓度和高浓度范围内表现出良好的一致性。这进一步证明了该方法在不同分子筛结构和焦炭类型中的适用性。

本研究的一个关键创新在于，通过分子模拟技术，能够以较低的计算成本和更高的精度，预测焦炭沉积对分子筛性能的影响。与传统的实验方法相比，这种方法不仅节省了时间和资源，还能够提供关于焦炭在分子筛内部结构中分布的微观信息。这种信息对于理解焦炭沉积的机制以及优化分子筛的再生策略具有重要意义。例如，在TSA过程中，随着吸附和再生循环的进行，焦炭的积累会逐渐降低分子筛的吸附能力，影响其使用寿命。通过模拟，可以提前预测这种趋势，从而制定更有效的再生方案，延长分子筛的使用寿命，减少能源消耗，并避免因吸附能力下降而导致的非计划停机。

此外，研究团队还探讨了该方法的局限性。尽管分子模拟在描述焦炭沉积的结构和吸附行为方面具有优势，但其预测结果仍依赖于力场参数的准确性以及焦炭模型的简化。因此，模型在某些情况下可能无法完全反映实际焦炭的复杂性。例如，模拟中未考虑焦炭形成过程中的化学反应动力学，而仅关注其对分子筛结构和吸附性能的物理影响。未来的研究方向应包括引入更复杂的反应模拟，以更全面地描述焦炭形成过程，从而提升该方法在工业应用中的预测能力。

本研究不仅为分子筛在吸附和催化过程中的失活机制提供了新的理解，还为相关领域的研究提供了重要的参考。随着分子筛在工业中的广泛应用，如何有效监测和预测其失活过程成为一个重要课题。本研究提出的方法，通过结合实验数据与分子模拟，能够更精确地评估焦炭沉积对分子筛性能的影响，为分子筛的寿命预测、失活机制识别以及再生策略优化提供了理论支持。这一方法的开发和应用，标志着在分子筛失活研究领域迈出了重要的一步，为未来的工业实践和科学研究奠定了坚实的基础。