超临界水中碳酸钠团簇成核与生长分子动力学模拟

张金利 何正华 韩优 李韡 武江洁星 甘中学 谷俊杰

引用本文: 张金利, 何正华, 韩优, 李韡, 武江洁星, 甘中学, 谷俊杰. 超临界水中碳酸钠团簇成核与生长分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2012, 28(07): 1691-1700. doi: 10.3866/PKU.WHXB201205032 shu
Citation:  ZHANG Jin-Li, HE Zheng-Hua, HAN You, LI Wei, WU Jiang-Jie-Xing, GAN Zhong-Xue, GU Jun-Jie. Nucleation and Growth of Na2CO3 Clusters in Supercritical Water Using Molecular Dynamics Simulation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2012, 28(07): 1691-1700. doi: 10.3866/PKU.WHXB201205032 shu

超临界水中碳酸钠团簇成核与生长分子动力学模拟

  • 基金项目:

    国家高技术研究发展计划项目(863) (2011AA05A201) (863) (2011AA05A201)

    国家自然科学基金(21106094, 20836005) (21106094, 20836005)

    国家重点基础研究发展规划项目(973) (2010CB736202)资助 (973) (2010CB736202)

摘要:

应用分子动力学方法研究了碳酸钠颗粒在超临界水中的成核与生长过程. 计算了温度为700-1100 K、压力在23-30 MPa下碳酸钠的团聚过程, 计算时间为1 ns. 对体系结合能与径向分布函数的分析表明, 碳酸钠成核过程主要受静电作用的影响. 在超临界态下, 水分子与Na+和CO32- 之间的静电作用降低, Na+与CO32- 能够很容易碰撞形成Na2CO3小团簇. 在Na2CO3整个成核过程中, 单个离子的碰撞在前50 ps 内完成, 同时离子碰撞速率达到1030 cm-3·s-1. 另外, 在成核阶段温度的影响比压力更加明显, 温度越高, 离子碰撞速率越快, 形成的初始团簇越多. 而压力对Na2CO3团簇的进一步生长影响较大.

English

    1. [1]

      (1) Shaw, R.W.; Brill, T. B.; Clifford, A. A.; Eckert, C. A.; Franck,E. U. Chem. Eng. News 1991, 69, 26.

      (1) Shaw, R.W.; Brill, T. B.; Clifford, A. A.; Eckert, C. A.; Franck,E. U. Chem. Eng. News 1991, 69, 26.

    2. [2]

      (2) Valeriani, C.; Sanz, E.; Frenkel, D. J. Chem. Phys. 2005, 122,194501. doi: 10.1063/1.1896348(2) Valeriani, C.; Sanz, E.; Frenkel, D. J. Chem. Phys. 2005, 122,194501. doi: 10.1063/1.1896348

    3. [3]

      (3) Reverchon, E.; Adami, R. J. Supercrit. Fluids 2006, 37, 1. doi: 10.1016/j.supflu.2005.08.003(3) Reverchon, E.; Adami, R. J. Supercrit. Fluids 2006, 37, 1. doi: 10.1016/j.supflu.2005.08.003

    4. [4]

      (4) Cansell, F.; Aymonier, C. J. Supercrit. Fluids 2009, 47, 508. doi: 10.1016/j.supflu.2008.10.002(4) Cansell, F.; Aymonier, C. J. Supercrit. Fluids 2009, 47, 508. doi: 10.1016/j.supflu.2008.10.002

    5. [5]

      (5) Hodes, M.; Marrone, P. A.; Hong, G. T.; Smith, K. A.; Tester, J.W. J. Supercrit. Fluids 2004, 29, 265. doi: 10.1016/S0896-8446(03)00093-7(5) Hodes, M.; Marrone, P. A.; Hong, G. T.; Smith, K. A.; Tester, J.W. J. Supercrit. Fluids 2004, 29, 265. doi: 10.1016/S0896-8446(03)00093-7

    6. [6]

      (6) Kritzer, P.; Dinjus, E. Chem. Eng. J. 2001, 83, 207. doi: 10.1016/S1385-8947(00)00255-2(6) Kritzer, P.; Dinjus, E. Chem. Eng. J. 2001, 83, 207. doi: 10.1016/S1385-8947(00)00255-2

    7. [7]

      (7) Bermejo, M. D.; Martín, A.; Queiroz, J. P. S.; Bielsa, I.; Ríos,V.; Cocero, M. J. Chem. Eng. J. 2010, 158, 431. doi: 10.1016/j.cej.2010.01.013(7) Bermejo, M. D.; Martín, A.; Queiroz, J. P. S.; Bielsa, I.; Ríos,V.; Cocero, M. J. Chem. Eng. J. 2010, 158, 431. doi: 10.1016/j.cej.2010.01.013

    8. [8]

      (8) Kim, K.; Son, S. H.; Kim, K. S.; Kim, K.; Kim, Y. C. Chem. Eng. J. 2010, 165, 170. doi: 10.1016/j.cej.2010.09.012(8) Kim, K.; Son, S. H.; Kim, K. S.; Kim, K.; Kim, Y. C. Chem. Eng. J. 2010, 165, 170. doi: 10.1016/j.cej.2010.09.012

    9. [9]

      (9) Svishchev, I. M.; Zasetsky, A. Y.; Nahtigal, I. G. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 20181. doi: 10.1021/jp803705z(9) Svishchev, I. M.; Zasetsky, A. Y.; Nahtigal, I. G. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 20181. doi: 10.1021/jp803705z

    10. [10]

      (10) Nahtigal, I. G.; Svishchev, I. M. J. Supercrit. Fluids 2009, 50,169. doi: 10.1016/j.supflu.2009.05.006(10) Nahtigal, I. G.; Svishchev, I. M. J. Supercrit. Fluids 2009, 50,169. doi: 10.1016/j.supflu.2009.05.006

    11. [11]

      (11) Lümmen, N.; Kvamme, B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11,9504.(11) Lümmen, N.; Kvamme, B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11,9504.

    12. [12]

      (12) Lümmen, N.; Kvamme, B. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 12374.doi: 10.1021/jp710156b(12) Lümmen, N.; Kvamme, B. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 12374.doi: 10.1021/jp710156b

    13. [13]

      (13) Li, Y. L.; Guo, L. J.; Zhang, X. M.; Jin, H.; Lu, Y. J. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 3036. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.07.023(13) Li, Y. L.; Guo, L. J.; Zhang, X. M.; Jin, H.; Lu, Y. J. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 3036. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.07.023

    14. [14]

      (14) Jin, H.; Lu, Y. J.; Liao, B.; Guo, L. J.; Zhang, X. M. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 7151. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.01.099(14) Jin, H.; Lu, Y. J.; Liao, B.; Guo, L. J.; Zhang, X. M. Int. J. Hydrog. Energy 2010, 35, 7151. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.01.099

    15. [15]

      (15) Xiao, H. Y.; Zhen, Z.; Sun, H. Q.; Cao, X. L.; Li, Z. Q.; Song,X.W.; Cuo, X. H.; Liu, X. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26,422. [肖红艳, 甄珍, 孙焕泉, 曹绪龙, 李振泉, 宋新旺,崔晓红, 刘新厚. 物理化学学报, 2010, 26, 422.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100216(15) Xiao, H. Y.; Zhen, Z.; Sun, H. Q.; Cao, X. L.; Li, Z. Q.; Song,X.W.; Cuo, X. H.; Liu, X. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26,422. [肖红艳, 甄珍, 孙焕泉, 曹绪龙, 李振泉, 宋新旺,崔晓红, 刘新厚. 物理化学学报, 2010, 26, 422.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100216

    16. [16]

      (16) Zhou, J.; Lu, X. H.;Wang, Y. R.; Shi, J. Acta Phys. -Chim. Sin.1999, 15, 1017. [周健, 陆小华, 王延儒, 时钧. 物理化学学报, 1999, 15, 1017.] doi: 10.3866/PKU.WHXB19991112(16) Zhou, J.; Lu, X. H.;Wang, Y. R.; Shi, J. Acta Phys. -Chim. Sin.1999, 15, 1017. [周健, 陆小华, 王延儒, 时钧. 物理化学学报, 1999, 15, 1017.] doi: 10.3866/PKU.WHXB19991112

    17. [17]

      (17) Liao, R. J.; Zhu, M. Z.; Zhou, X.; Yang, L. J.; Yan, J. M.; Sun,C. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 815. [廖瑞金, 朱孟兆,周欣, 杨丽君, 严家明, 孙才新. 物理化学学报, 2011, 27,815.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110341(17) Liao, R. J.; Zhu, M. Z.; Zhou, X.; Yang, L. J.; Yan, J. M.; Sun,C. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 815. [廖瑞金, 朱孟兆,周欣, 杨丽君, 严家明, 孙才新. 物理化学学报, 2011, 27,815.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110341

    18. [18]

      (18) Chen, C.; Li,W. Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 507.[陈聪, 李维仲. 物理化学学报, 2009, 25, 507.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090318(18) Chen, C.; Li,W. Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009, 25, 507.[陈聪, 李维仲. 物理化学学报, 2009, 25, 507.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090318

    19. [19]

      (19) Shen, Q. C.; Liang,W. C.; Hu, X. B.; Li, H. R. Acta Phys. - Chim. Sin. 2008, 24, 1169. [沈秋婵, 梁婉春, 胡兴邦, 李浩然.物理化学学报, 2008, 24, 1169.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20080709(19) Shen, Q. C.; Liang,W. C.; Hu, X. B.; Li, H. R. Acta Phys. - Chim. Sin. 2008, 24, 1169. [沈秋婵, 梁婉春, 胡兴邦, 李浩然.物理化学学报, 2008, 24, 1169.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20080709

    20. [20]

      (20) Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids;Clarendon: Oxford, 1987.(20) Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids;Clarendon: Oxford, 1987.

    21. [21]

      (21) Materials Studio Overview. http://accelrys.com/products/materials-studio/ (accessed May 02, 2012)(21) Materials Studio Overview. http://accelrys.com/products/materials-studio/ (accessed May 02, 2012)

    22. [22]

      (22) Sun, H. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 7338. doi: 10.1021/jp980939v(22) Sun, H. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 7338. doi: 10.1021/jp980939v

    23. [23]

      (23) Sun, H. Macromolecules 1995, 28, 701. doi: 10.1021/ma00107a006(23) Sun, H. Macromolecules 1995, 28, 701. doi: 10.1021/ma00107a006

    24. [24]

      (24) Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids;Oxford University Press: Oxford, 1989.(24) Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids;Oxford University Press: Oxford, 1989.

    25. [25]

      (25) Frenkel, D.; Smit, B. Understanding Molecular Simulations: from Al rithms to Applications; Academic Press: San Die ,1996.(25) Frenkel, D.; Smit, B. Understanding Molecular Simulations: from Al rithms to Applications; Academic Press: San Die ,1996.

    26. [26]

      (26) Berendsen, H. J.; Postma, J. P. J. Chem. Phys. 1984, 18, 3684.(26) Berendsen, H. J.; Postma, J. P. J. Chem. Phys. 1984, 18, 3684.

    27. [27]

      (27) Hoover,W. G. Phys. Rev. A 1985, 31, 1695. doi: 10.1103/PhysRevA.31.1695(27) Hoover,W. G. Phys. Rev. A 1985, 31, 1695. doi: 10.1103/PhysRevA.31.1695

    28. [28]

      (28) Hoffmann, K. H.; Schreiber, M. Computational Physics 1996,268.(28) Hoffmann, K. H.; Schreiber, M. Computational Physics 1996,268.

    29. [29]

      (29) Anderson, H. C. J. Chem. Phys. 1980, 72, 2384.(29) Anderson, H. C. J. Chem. Phys. 1980, 72, 2384.

    30. [30]

      (30) Ewald, P. P. Annales de Physique. 1921, 64, 253.(30) Ewald, P. P. Annales de Physique. 1921, 64, 253.

    31. [31]

      (31) Sun,W.; Huang, S. Y.;Wang, C.W.; Chi, R. A. J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. 2008, 36, 103. [孙炜, 黄素逸, 王存文, 池汝安. 华中科技大学学报, 2008, 36, 103.](31) Sun,W.; Huang, S. Y.;Wang, C.W.; Chi, R. A. J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. 2008, 36, 103. [孙炜, 黄素逸, 王存文, 池汝安. 华中科技大学学报, 2008, 36, 103.]

    32. [32]

      (32) Becker, R.; Döring,W. Annales de Physique. 1935, 24, 719.(32) Becker, R.; Döring,W. Annales de Physique. 1935, 24, 719.

    33. [33]

      (33) Volmer, M.;Weber, A. Z. Z. Phys. Chem. 1926, 119, 277.(33) Volmer, M.;Weber, A. Z. Z. Phys. Chem. 1926, 119, 277.

    34. [34]

      (34) Debenedetti, P. G. Metastable Liquids: Concept and Principles;Princeton Press: NJ, 1996.(34) Debenedetti, P. G. Metastable Liquids: Concept and Principles;Princeton Press: NJ, 1996.

    35. [35]

      (35) Stillinger, F. H. J. Chem. Phys. 1963, 38, 1486. doi: 10.1063/1.1776907(35) Stillinger, F. H. J. Chem. Phys. 1963, 38, 1486. doi: 10.1063/1.1776907

    36. [36]

      (36) Yasuoka, K.; Matsumoto, M. J. Chem. Phys. 1998, 109, 8451.doi: 10.1063/1.477509(36) Yasuoka, K.; Matsumoto, M. J. Chem. Phys. 1998, 109, 8451.doi: 10.1063/1.477509

    37. [37]

      (37) Rozas, R.; Kraska, T. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 15784. doi: 10.1021/jp073713d(37) Rozas, R.; Kraska, T. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 15784. doi: 10.1021/jp073713d

    38. [38]

      (38) Lümmen, N.; Kvamme, B. J. Chem. Phys. 2010, 132, 014702.doi: 10.1063/1.3270158(38) Lümmen, N.; Kvamme, B. J. Chem. Phys. 2010, 132, 014702.doi: 10.1063/1.3270158

    39. [39]

      (39) Guo, G. J.; Zhang, Y. G.; Li, M. J. Chem. Phys. 2008, 128,194504. doi: 10.1063/1.2919558(39) Guo, G. J.; Zhang, Y. G.; Li, M. J. Chem. Phys. 2008, 128,194504. doi: 10.1063/1.2919558

    40. [40]

      (40) Wernet, P.; Testemale, D.; Hazemann, J. L.; Ar ud, R.J. Chem. Phys. 2005, 123, 154503. doi: 10.1063/1.2064867(40) Wernet, P.; Testemale, D.; Hazemann, J. L.; Ar ud, R.J. Chem. Phys. 2005, 123, 154503. doi: 10.1063/1.2064867

    41. [41]

      (41) Skarmoutsos, I.; Guardia, E. J. Chem. Phys. 2010, 132, 074502.doi: 10.1063/1.3305326(41) Skarmoutsos, I.; Guardia, E. J. Chem. Phys. 2010, 132, 074502.doi: 10.1063/1.3305326

    42. [42]

      (42) Kalinichev, A. G.; Bass, J. D. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 9720.doi: 10.1021/jp971218j(42) Kalinichev, A. G.; Bass, J. D. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 9720.doi: 10.1021/jp971218j

    43. [43]

      (43) Skarmoutsos, I.; Samios, J. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21931.doi: 10.1021/jp060955p(43) Skarmoutsos, I.; Samios, J. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21931.doi: 10.1021/jp060955p

    44. [44]

      (44) Römer, F.; Kraska, T. J. Supercrit. Fluids 2010, 55, 769. doi: 10.1016/j.supflu.2010.08.010(44) Römer, F.; Kraska, T. J. Supercrit. Fluids 2010, 55, 769. doi: 10.1016/j.supflu.2010.08.010

    45. [45]

      (45) Nahtigal, I. G.; Zasetsky, A. Y.; Svishchev, I. M. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 7537. doi: 10.1021/jp709688g(45) Nahtigal, I. G.; Zasetsky, A. Y.; Svishchev, I. M. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 7537. doi: 10.1021/jp709688g

    46. [46]

      (46) Römer, F.; Kraska, T. J. Chem. Phys. 2007, 127, 234509. doi: 10.1063/1.2805063(46) Römer, F.; Kraska, T. J. Chem. Phys. 2007, 127, 234509. doi: 10.1063/1.2805063

    47. [47]

      (47) Sue, K.; Kawasaki, S.; Suzuki, M.; Hakuta, Y.; Hayashi, H.;Arai, K.; Takebayashi, Y.; Yoda, S.; Furuya, T. Chem. Eng. J.2011, 166, 947. doi: 10.1016/j.cej.2010.11.080

      (47) Sue, K.; Kawasaki, S.; Suzuki, M.; Hakuta, Y.; Hayashi, H.;Arai, K.; Takebayashi, Y.; Yoda, S.; Furuya, T. Chem. Eng. J.2011, 166, 947. doi: 10.1016/j.cej.2010.11.080

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  779
  • 文章访问数:  2456
  • HTML全文浏览量:  19
文章相关
  • 发布日期:  2012-06-07
  • 收稿日期:  2012-03-28
  • 网络出版日期:  2012-05-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章