Computational and experimental investigation of CH4 adsorption in pure and ionic liquid incorporated metal organic frameworks
Saf ve iyonik sıvı i̇çerikli metal organik kafesli yapılarda CH4 adsorpsiyonunun deneysel ve hesaplamalı olarak i̇ncelenmesi
- Tez No: 397234
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI, YRD. DOÇ. DR. ALPER UZUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 198
Özet
Doğal gaz bol bulunan ve diğer fosil yakıtlara göre daha temiz yanan düşük karbonlu bir enerji kaynağıdır. Doğal gazın pratikte kullanılabilmesi için yüksek yoğunlukta depolanmasını sağlayacak yöntemler bulunması gerekmektedir. Hali hazırda doğal gaz sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) ya da sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) olarak depolanmaktadır. Bu iki yöntem de hem ekonomik açıdan hem de güvenlik açısından elverişli değildir. Yakın zamanda, adsorbe olmuş doğal gaz (ANG) güvenli ve verimli bir alternatif depolama yöntemi olarak ilgi görmüştür. ANG yönteminin uygulanabilmesi için özel olarak tasarlanmış yüksek kapasiteli adsorban malzemelere ihtiyaç vardır. Metal organik kafesli yapılar (MOFlar) organik bağlayıcılar ve metal kümelerden oluşmuş gözenekli kristal malzemelerdir. MOFlar adsorban olarak kullanılmak için önemli olan yüksek yüzey alanı, bol gözenek hacmi, düşük yoğunluk gibi yapısal özelliklerin yanı sıra yüksek termal ve mekanik dayanıklılığa da sahiptirler. Bu tezin ilk kısmında MOFların doğal gazın büyük bölümünü oluşturan CH4 gazını depolama performanslarını belirlemek amacıyla grand canonical Monte Carlo (GCMC) simülasyonları yapılmıştır. 1500'ün üzerinde farklı MOFun yapısal/kimyasal özellikleri hesaplanmış ve bu özelliklerden yararlanılarak MOFların CH4 depolama miktarlarını tahmin eden çok değişkenli doğrusal denklemler çıkarılmıştır. Ayrıca, MOFların yüksek CH4 depolamasını sağlayan yapısal/kimyasal özellikler belirlenmiş bu özellikler için ideal aralıklar tanımlanmıştır. Tezin ikinci kısmında CH4 depolama uygulamaları için en ümit verici MOFlardan biri olan HKUST-1 (ticari ismi Basolite C300) deneysel olarak karakterize edilmiş ve yüksek basınçta CH4, CO2, N2 ve H2 gazlarının adsorpsiyon miktarları ölçülmüştür. Gaz depolama ve ayırma özelliklerinin iyileştirilmesi için Basolite C300'ün yapısına yaygın olarak kullanılan iyonik sıvılardan (İS) biri olan1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM][BF4]) dahil edilmiştir. Deney sonuçlarınca İS-içerikli MOFların gaz depolama özelliklerinin normal MOFlara göre değişiklik gösterdiği saptanmıştır. İS-içerikli MOFların çalışılan gazlar arasında en çok CH4'e karşı yatkınlığı artmıştır fakat yüksek basınçlardaki gaz depolama kapasitelerinde düşüş gözlemlenmiştir. Sonuç olarak İS-içerikli MOFlar çeşitli gaz depolama ve gaz ayırma uygulamalarında kullanılmak üzere yüksek potansiyele sahip yeni bir adsorban çeşidi olarak tanımlanmışlardır.
Özet (Çeviri)
Natural gas is an abundant and relatively clean energy source with a potential to replace petroleum towards a low-carbon energy future. The most challenging part of utilizing natural gas for various applications is the development of a feasible method for its high density storage. Natural gas is commonly stored as compressed or liquefied natural gas which both create economical and safety issues. An alternative approach for safe and efficient storage of natural gas, adsorbed natural gas (ANG), has drawn attention recently. For the efficient implementation of ANG specifically tailored high capacity adsorbents are required. Metal organic frameworks (MOFs) have emerged as crystalline porous materials constructed from organic linkers and metal clusters. MOFs are considered as very promising adsorbents as a result of their extraordinary structural characteristics, such as high surface area, high porosity, low density as well good thermal and mechanical stability. In the first part of this thesis, grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations were performed to investigate CH4 (main component of natural gas) storage performance of MOFs. Structural/chemical properties of MOFs were calculated and simple multivariate linear models were constructed to predict CH4 uptake of over 1500 different MOF structures using these properties. Moreover, the structural/chemical characteristics resulting in high CH4 uptake were identified and optimum ranges for these properties were presented. In the second part, experimental characterization and high pressure adsorption measurements for CH4, CO2, N2, and H2 were performed for one of the top performing MOFs, HKUST-1 (commercially available as Basolite C300). Incorporation of ionic liquids (ILs) were examined using 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM][BF4]) to enhance gas storage and separation capabilities of Basolite C300. Results suggest that incorporation of ILs in MOFs results in modified adsorption capacities for different gases, with the highest affinity towards CH4. The high pressure gas storage capacities were lowered with the addition of IL however, improved gas separation performance was observed. As a result, IL-incorporated MOFs are identified as new type of adsorbents with high potential for various gas storage/separation applications.
Benzer Tezler
- Exploring gas storage properties of metal organic frameworks by artificial intelligence combined computational methods
Metal organik kafes yapıların gaz depolama özelliklerinin yapay zekâ ile kombine edilmiş hesaplamalı kimya yöntemleri ile araştırılması
ÖMER TAYFUROĞLU
- Türkiye linyit kömürleri için yer altında kömür gazlaştırmasının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of underground coal gasification for Turkish lignite
OĞUZ BÜYÜKŞİRİN
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT GÜR
- Metan ve metan-hidrojen karışımı yakıtların kullanıldığı gaz türbinlerinde yanmanın ve azot oksit oluşumunun modellenmesi
Modelling of combustion and nitrogen oxide formation in gas turbines using methane and methane-hydrogen blend fuels
MURAT GÖKÇEK
Doktora
Türkçe
2008
EnerjiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞÜKRÜ BEKDEMİR
YRD. DOÇ. DR. HASAN HÜSEYİN ERDEM
- Computational and experimental investigation of Ras homodimer formation, Ras-effector interactions and ras shuttling
Deneysel ve hesaplamalı yöntemlerle Ras dimerizasyonunun, Ras efektör etkileşiminin ve Ras'ın taşınmasının incelenmesi
SERENA MURATCIOĞLU
Doktora
İngilizce
2018
BiyofizikKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRA ÖZLEM KESKİN ÖZKAYA
PROF. DR. ATTİLA GÜRSOY
- Computational and experimental investigation of the critical role of twinning on the plastic deformation of highmanganese austenitic steels and pseudoelasticity of niti shape memory alloys
İkizlemenin yüksek manganlı östenitik çeliklerin plastik deformasyonu ve niti şekil hafıza alaşımlarının süperelastisitesi üzerindeki krıtik rolünün sayısal ve deneysel incelemesi
BERKAY GÜMÜŞ
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ