Separation performance of MOF adsorbents and membranes: Effect of charge equilibration methods
MOF adsorban ve membranlarının ayırma performansları: Yük dengeleme metodlarının etkileri
- Tez No: 520242
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Kimya Mühendisliği, Chemistry, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
Metal organik-yapılar (MOF) geniş ve çok sayıdaki gözenekleri ve geniş yüzey alanları sayesinde geleneksel membran ve adsorban malzemelere güçlü bir alternatiftir. Potansiyel helyum (He) kıtlığı, bu gazın doğal kaynaklardan elde edilebilmesini ve dolayısıyla da bu ayrımı başarabilecek yüksek verimli teknolojilerin geliştirilmesini önemli kılmıştır. Bu tezin ilk bölümünde, literatürde bir ilk olarak, çeşitli MOF membranlarının He/CH4 ayrımındaki performansları hesaplamalı olarak çalışılmıştır. Moleküler simülasyonlardan elde edilen He geçirgenliği, deneylerle ölçülmüş olan geçirgenlikler ile karşılaştırılmıştır. Deneyler ve simülasyonlar arasındaki uyuma dayanarak 139 tane MOF membranı He/CH4 gaz ayrımı için incelenmiş ve en çok tercih edilen polimer ve zeolit yapıdaki membranlar ile karşılaştırılmıştır. Yüksek gaz seçicilikleri ve geçirgenlikleri sayesinde önemli sayıda MOF membranının Robeson üst sınırını geçtiği görülmüştür. Bunların yanısıra, tek tip gaz ve ikili gaz karışımları için moleküler simülasyonlar yaparak MOF membranlarının ideal ve karışım gaz seçicilikleri de karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, tek tip gaz kullanılarak hesaplanan seçiciliklerin ve geçirgenliklerin, karışım kullanılarak hesaplananları önemli ölçüde yüksek tahmin edebildiklerini göstermiştir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, He/CH4 gaz ayrımını en verimli şekilde gerçekleştirebilecek olan MOF membranlarını belirlemede, deneyleri yönlendirici niteliktedir. Bu tezin ikinci kısmında, MOF adsorbanlarının CO2/N2 ve CO2/CH4 ayrımlarındaki başarı sıralamalarının farklı yük dengeleme metotlarından (IQEq ve QEq metotları) nasıl etkilendiği 2244 tane deneysel MOF kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, CO2 gazının, yüksek kuadrupol momentinden dolayı yük atama metotlarına daha hassas olduğunu göstermiştir. IQEq metodunun, QEq metoduyla hesaplanmış olan seçicilik ve APS değerlerini daha yüksek tahmin etme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. IQEq ve QEq metotları baz alınarak her adsorbsiyon değerlendirme metriği için MOFlar sıralanmış ve ikişer liste oluşturulmuştur. İkili sıralamalar arasındaki benzerliği gösteren korelasyon katsayıları IQEq ve QEq için 0.73-0.84 aralığında hesaplanmıştır ve bu aralık iyi bir benzerliğe işaret etmektedir. Yüksek korelasyon katsayıları, yüksek çıktılı MOF taramalarında, DDEC metodunu uygulamadan önce MOF listesini IQEq kullanarak daraltmanın iyi bir strateji olabileceğini işaret etmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, MOFların, kuadrupol moleküllerin ayrımında adsorban olarak yüksek çıktılı ve hesaplamalı olarak taranmasına rehberdir.
Özet (Çeviri)
Metal organic frameworks (MOFs) have emerged as strong alternatives to traditional membrane and adsorbent materials due to their wide range of pore sizes, permanent porosities, and high surface areas. Considering the potential deficit of He, it is very important to develop efficient technologies for He recovery from the natural resources. In this thesis study, the first large-scale computational study to predict He/CH4 separation performances of various MOF membranes was conducted. Predictions of the molecular simulations were compared with the experimental data for He permeability of several MOF membranes. Motivated from the good agreement between experiments and simulations, 139 different MOF membranes were examined for He/CH4 separation. These 139 MOF membranes were compared with the traditional polymer and zeolite membranes. A significant number of MOF membranes was identified to exceed the Robeson's upper bound due to their high gas selectivities and permeabilities. Ideal and mixture selectivities of MOF membranes were also compared by performing molecular simulations both for single-component gases and binary gas mixtures. Results showed that selectivities and permeabilities calculated using the single-component gas data can significantly overestimate the ones calculated using the mixture data. Results of this study will be useful to guide the experiments for selecting the most promising MOF membranes for efficient He/CH4 separations. In the second part of this thesis, effects of using different charge equilibration methods, IQEq and QEq, on the ranking of MOF adsorbents for CO2/N2 and CO2/CH4 separations were investigated using 2244 MOF structures. Results show that, CO2 uptake is more sensitive to the charge assignment methods due to its quadrupolar nature. IQEq method was found to overestimate the adsorption selectivities and adsorption performance scores (APSs) of MOFs compared to the QEq method. The Spearman's rank correlation coefficients (SRCC), quantifying the similarity on the adsorption evaluation metrics predicted from two different sets of simulations using the IQEq and QEq methods, were found to be in the range of 0.73-0.84, indicating that there is a good similarity between the MOF rankings performed by using two different charge equilibration methods. Thus, it might be a good strategy to start a high-throughput computational screening study with the IQEq and narrow down the list of MOFs before implementing the DDEC method. Results of this work will be a guide for future computational studies to screen larger numbers of MOFs as adsorbents for the separation of quadrupolar molecules.
Benzer Tezler
- Investigation of bio-MOFs for energetic and biomedical applications: From an atomic point of view
Biyo-MOFların enerji ve biyomedikal uygulamalarının atomik bakış açısıyla araştırılması
İLKNUR ERUÇAR FINDIKÇI
Doktora
İngilizce
2016
EnerjiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Computational screening of zeolitic imidazolate framework/polymer mixed matrix membranes for gas separations
Zeolit imidazolat kafes katkılı polimerik gaz ayırma membranlarının hesaplamalı yöntemler kullanılarak taranması
GAMZE YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Combining molecular simulations and machine learning to unlock gas separation performances of MOFs and MOF-based composites
MOFlarin ve MOF temelli kompozitlerin gaz ayırma performanslarının açığa çıkarılmasi amacıyla moleküler simülasyon ve makine öğrenmesinin birleştirilmesi
HİLAL DAĞLAR HARMAN
Doktora
İngilizce
2024
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
- High-throughput computational screening of MOFs for carbon dioxide capture and hydrogen purification
Karbon dioksit yakalama ve hidrojen saflaştırma süreçlerinde kullanılmak üzere metal-organik gözenekli yapıların gaz ayırma performanslarının kapsamlı hesaplamalı taraması
GÖKAY AVCI
Doktora
İngilizce
2021
Mühendislik BilimleriKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Computational investigations of metal organic frameworks and covalent organic frameworks for gas storage and gas separation applications
Başlık çevirisi yok
EZGİ GÜLÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
KimyaÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKNUR ERUÇAR FINDIKÇI