电解质在水中的扩散系数的分子模拟与理论研究

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扩散系数在化学工程、生物工程和环境保护等方面有重要的作用。因此,对其研究一直备受广大学者的关注。但是,关于超临界水中电解质扩散系数的数据及理论研究十分贫乏。本文采用分子模拟方法和近代理论研究了常态和超临界条件下电解质在水中的扩散系数。 采用分子动力学(MD)方法,模拟计算了Lennard-Jones流体中的自扩散系数,常态和高温高压下水的自扩散系数,O2和N2在超临界水中的无限稀释扩散系数,以及NaCl在超临界水中的扩散系数与无限稀释扩散系数。计算表明,超临界水中物质的扩散系数较常温常压下高1到2个数量级。同时,本文也对不同温度下水的径向分布函数和内能进行了计算。 将PT方程和Liu-Ruckenstein公式相结合,推导出了超临界水中电解质扩散系数的计算式。根据本文MD模拟得到的30MPa-45MPa,703.2K-763.2K条件下NaCl在水中无限稀释扩散系数数据,通过回归方法得到了计算式中的可调参数。在此基础上,对25MPa-50MPa,763.2K-803.2K条件下NaCl在水中无限稀释扩散系数进行了预测。关联和预测结果与分子模拟结果符合良好。 采用两种方法对Barnard等的用平均球近似(MSA)理论计算电解质在水溶液中的扩散系数的方法进行了改进。其一为将阳离子有效直径与电解质离子强度的关系式引入计算中;其二是用溶液的介电常数替代原来的计算式中的溶剂介电常数。对四种电解质水溶液中电解质扩散系数的计算表明:本文给出的两种改进方法的计算精度相当,与原来的计算方法相比较,与实验值的符合情况更好,应用的浓度范围也较宽。 对Robinson-Stokes计算电解质溶液扩散系数的方程进行了修正,采用Pitzer公式计算电解质的离子平均活度系数。对NaCl水溶液的计算结果表明本方法可应用至很高浓度,且回归得到的水化数合理。
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