二氧化碳水合物结晶行为统计力学研究

项目名称： 二氧化碳水合物结晶行为统计力学研究

项目编号： No.21476007

项目类型： 面上项目

立项/批准年度： 2015

项目学科： 数理科学和化学

项目作者： 密建国

作者单位： 北京化工大学

项目金额： 82万元

中文摘要： 晶体成核在界面理论和成核理论中占有重要的地位，本项目旨在建立分子层面的液-固界面成核理论，以CO2水合物结晶为主要研究对象。优化研究方案后，首先研究冰的结晶成核，重点是构建冰和水的密度泛函表达式，充分考虑体系内各种相互作用和分子的空间构型，以及冰的六方型柱状晶胞内晶格点阵，采用密度泛函的方法计算液固相平衡和表面张力，用实验值检验理论模型的准确性；采用检验后的模型研究冰的结晶成核及生长。在此基础上研究CO2水合物结晶，重点是通过计算CO2在晶胞内的密度分布得到吸附量，由此建立相平衡计算方法；通过对水合物晶胞内的次级晶胞进行粗粒化，以体心立方的晶格结构建立晶体与溶液界面的密度泛函，预测其表面张力，并运用本项目实验测定的表面张力检验理论模型的准确性；考虑CO2的扩散系数和水流动产生的粘滞力，建立相对完善的动力学密度泛函理论，系统研究CO2水合物晶体成核及生长过程，从分子层面解释成核机理。

中文关键词： 动力学密度泛函理论；二氧化碳水合物；液体-晶体界面；临界成核；晶体生长

英文摘要： Crystal nucleation plays important role in interfacial and nucleation theory. The essential task of this project is to construct a microscopic theory to describe the nucleation and crystal growth of CO2 hydrage at the liquid-solid interface. For simplicity,the ice nucleation will be firstly investigated. Here we focus on the formalism of density functional experssions for water and ice. The different interactions, molecular morphology, and the crystal structure will be entirely considered. The liquid-solid phase equilibrium as well as the interfacial tension will be calculated using the two functions. Accordingly, the nucleation process of ice can be studied using the dynamic density functional approach. For CO2 hydrate nucleation, the liquid-solid phase equilibrium can be determined by the CO2 adsorption, and the interfacial tension will be calculated by a density functional approach, where the crystal can be represent by the coarse-grained bcc structure. Finally, the nucleation and growth of CO2 hydrate crystal will be investigated by considering the effect of CO2 diffusion and hydrodynamic interaction.

英文关键词： dynamic density functional theory;carbon dioxide hydrate;liquid-crystal interface;critical nucleation;crytal growth