分子筛物理结构和化学改性对C4F7N及其分解产物吸附特性的影响
C4F7N作为一种新型环保绝缘介质，近年来因其突出的绝缘性能和环保优势而备受关注。其介电强度在相同压力下约为传统绝缘介质SF6的两倍，这一特性使得C4F7N在高压电气设备中具有广阔的应用前景。通用电气公司已将C4F7N混合气体应用于420kV GIL、245kV TA、145kV GIS等设备中，而国家电网公司、南方电网公司也在多个10～110kV环保绝缘电气设备中采用了C4F7N混合气体，并计划大面积推广使用。然而，在实际应用中，C4F7N混合气体在气体绝缘设备运行过程中，特别是在电弧放电和局部放电故障条件下，会发生分解。这些分解产物不仅会影响混合气体的绝缘性能，还可能对电气设备的稳定运行构成威胁，甚至对人体健康带来危害。因此，如何处理C4F7N分解产物，保证以C4F7N混合气体为绝缘介质的开关设备长期稳定运行，成为当前亟待解决的问题。
针对C4F7N分解产物的处理问题，本研究聚焦于分子筛的物理结构和化学改性对其吸附特性的影响。分子筛因其种类多样、离子改性空间大，被视为处理C4F7N分解产物的最有前途的吸附材料。研究通过分子动力学计算，深入探讨了11种纯硅型分子筛（包括3种具有笼型结构特征和8种具有孔道结构特征的分子筛）对C4F7N及其分解产物的吸附等温线和吸附位点。进一步地，研究还考察了经阳离子（H+、Na+、Mn2+、Fe2+）改性的ZSM分子筛对C4F7N及其分解产物的吸附能、电子转移和态密度等参数，以揭示分子筛的吸附机理。
实验结果显示，CHA、LTA和BEA分子筛因其独特的笼型和孔型结构，对C4F7N及其分解产物具有较高的吸附容量。然而，这些分子筛在吸附过程中会显著消耗主绝缘气体C4F7N，因此在实际应用中需要权衡其吸附性能与对主气体的消耗。
图1.298K时C4F7N、C3F8、C3F6、C2F6和CF4在11种分子筛中的吸附等温线
通过离子交换法将ZSM分子筛中的H+离子替换为Na+、Mn²⁺和Fe²⁺离子后，其吸附性能发生了显著变化。掺杂Na+离子后的ZSM分子筛虽然吸附容量有所提升，但吸附过程仍为物理吸附，主要作用力为范德华力。
图2.4种改性分子筛团簇模型
(1)11种分子筛中，CHA、LTA和BEA对C4F7N及其部分分解产物表现出较强的吸附能力，但会消耗主绝缘气体C4F7N，不适合用于C4F7N类新型环保气体绝缘设备。而ZSM分子筛对C4F7N吸附量较低，对其他分解产物吸附性能良好，具有应用潜力。
(2)Mn和Fe离子改性后的ZSM分子筛对C4F7N及其分解产物的吸附效果显著提升，且吸附过程为化学吸附，具有更强的吸附力和选择性。
综上所述，该研究通过系统的实验和理论计算，深入探究了不同结构分子筛对C4F7N及其分解产物的吸附特性，并通过化学改性提升了ZSM分子筛的吸附性能。这些研究成果不仅为C4F7N环保绝缘气体开关柜中吸附材料的选择提供了重要的参考依据，也为进一步研究和开发新型高效吸附材料奠定了坚实的基础。
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