Computational screening of metal-organic frameworks for acetylene and hydrogen separations
Metal-organik çerçevelerin hesaplamalı taraması asetilen ve hidrojen ayrımı
- Tez No: 541060
- Danışmanlar: PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, 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: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 90
Özet
Gözenekli malzemelerde nispeten yeni bir sınıf olan Metal-Organik Kafes'lere (MOF) olan ilgi muazzam bir şekilde artmaktadır. MOF'ların ana bileşenleri metal kümeler ve organik bağlayıcılardır. Yüksek yüzey alanı, yüksek gözeneklilik ve ayarlanabilir gözenek boyutu gibi olağanüstü özelliklere sahip olmaları, MOFları adsorpsiyon ve membran esaslı gaz ayırma işlemlerinde potansiyel adaylar haline getirmektedir. Sentezlenen MOF'ların sayısı her geçen gün hızla arttığından deneysel yöntemler yardımıyla istenilen uygulama alanları için en iyi performans gösterecek MOF malzemesini bulmak kolay değildir. Bilgisayar yardımıyla yapılan eleme yöntemleri, çok sayıdaki malzemenin performansının verimli bir şekilde hesaplanmasına fırsat tanımaktadır. Bu çalışmada, birçok MOF malzemesi adsorpsiyon yöntemiyle asetilen (C2H2) ayrımı ve membranlar kullanılarak H2/N2 ayrımı için taranmıştır. MOF'ların yapı-performans ilişkisi incelenmiş ve C2H2/CO2 ile C2H2/CH4 ayrımlarında kullanılacak en verimli adsorben malzemeleri ve H2/N2 ayrımında en yüksek performansı verecek membran malzemeleri için deneysel araştırmalara rehberlik edecek bir harita sunulmuştur. Tezin ilk bölümünde, 174 MOF'un adsorben olarak kullanılması eşit molar C2H2/CO2 ve C2H2/CH4 karışımlarımın oda sıcaklığında ve 1 bar'da araştırıldı. Belirlenene kriterler yardımıyla her bir gaz çifti için en yüksek seçicilik ayrılması için üç MOF tespit edildi. Öne çıkan en iyi performans gösteren 3 MOF, 298 K ve 1 bar'da C2H2/CO2 ayrımı için sırasıyla 49, 47, 24 ve C2H2/CH4 ayrımı için ise 824, 684, 638 gibi literatürde bugüne kadar bildirilen en yüksek adsorpsiyon seçiciliğini sergilemiştir. C2H2/CO2 ve C2H2/CH4 ayrımında en iyi performans gösteren MOF adsorbentleri, 600 ile 1,200 m2/g arasında değişen yüzey alanı ve 0.4 ile 0.6 arasında değişen gözeneklilik bakımından benzer karakteristik özellikleri sergilemiştir. Tezin ikinci bölümünde, MOF membranları ile H2/N2 karışımının ayrılması üzerine ilk büyük ölçekli moleküler simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Yapısı ve kimyası bakımından çok fazla çeşitlilik sergileyen ve 3765 MOF'dan oluşan veritabanı, H2/N2 gaz karışımının ayrımı için en iyi performansı gösterecek MOF membranlarını belirlemek için taranmıştır. 25 en iyi performans sergileyen MOF membran malzemesi seçicilikleri göz önüne tutularak tespit edilmiştir. H2/N2 gaz karışımı için bu çalışmada ileri sürülen en iyi performans gösteren MOF'ları, endüstriyel koşullarda değerlendirmek için membranların seçicilikleri dörtlü N2/CO/H2/CO2 gaz karışımı için hesaplanmıştır. v Sonuçlar MOF'ların performanslarının ikili gaz karışımı ile dörtlü gaz karışımı arasında önemli ölçüde değişmediğini gösterdi. H2/N2 ayırımı için öne sürülen yüksek performans sergileyen MOF membranlar, polimerik membranlarla karşılaştırıldığında yüksek (düşük) H2 geçirgenliği (seçicilik) sergilemektedir.
Özet (Çeviri)
Attention to a relatively new class of porous materials, Metal-Organic Frameworks (MOFs) is growing tremendously. The main components of MOFs are metal clusters and organic linkers. Exceptional physical properties such as high surface area, high porosity, and tunable pore size make MOFs potential candidates for adsorption-based and membrane-based gas separations. Since the number of synthesized MOFs is increasing very rapidly, it is impossible to find the best performing MOF material for the desired application using experimental manners. In-silico computational screening methods provide an opportunity to evaluate the performance of a large number of materials in a time efficient manner. In this study, we performed high throughput screening of MOFs for adsorption-based acetylene (C2H2) separation and membrane-based hydrogen (H2) separation. Structure-performance relations were investigated and presented as a map to guide the experimental researches to synthesize more efficient MOFs as adsorbents for C2H2/CO2, C2H2/CH4 separations and as membranes for H2/N2 separation. In the first part of the thesis, we investigated the performance of 174 MOFs as adsorbents for separation of equimolar C2H2/CO2 and C2H2/CH4 gas mixtures at room temperature and 1 bar. Using the performance evaluation metrics, we identified three MOFs with the highest selectivities for each mixture. The 3 top performing MOFs having adsorption selectivities of 49, 47, 24 for C2H2/CO2 and 824, 684, 638 for C2H2/CH4 separations exhibit the highest C2H2 selectivities reported up to date in the literature. Best performing MOF adsorbents have similar characteristics based on surface areas and porosities changing from 600 to 1,200 m2/g, and from 0.4 to 0.6. In the second part of the thesis, we conducted the first large-scale molecular simulation study for the separation of H2/N2 mixture by MOF membranes. A database consists of 3765 MOFs with a large variety in structure and chemistry was screened to identify the best MOF membranes for H2/N2 separation. Based on selectivity of MOF membranes computed at infinite dilution, 25 top performing membranes were identified. To evaluate the performance of top MOFs at industrial conditions, we calculated the selectivity of membranes by considering a quaternary N2/CO/H2/CO2 mixture. Results showed that performance of MOFs did not change significantly when a binary mixture was considered instead of a quaternary mixture. The top-performing MOFs for H2/N2 separation exhibit high (low) H2 permeability (selectivity) compared to polymer membranes.
Benzer Tezler
- High-throughput computational screening of MOFs for ethane and methane purification
Etan ve metan saflaştırma süreçlerinde kullanılmak üzere metal-organik gözenekli yapılarin gaz ayırma performansının kapsamlı hesaplamalı taraması
ÇİĞDEM ALTINTAŞ
Doktora
İngilizce
2020
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. 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
- 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
- High throughput screening of mof membranes and mof/polymer mixed matrix membranes: Best materials for flue gas separation
Mof membranların ve mof/polimer karışık yataklı membranların yüksek çatılı hesaplaması: Baca gazı ayırımı için en iyi malzemeler
HİLAL DAĞLAR HARMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
- The impact of force field on the computational screening of MOFs for CO2 separations
CO2 ayırmaları için metal-organik yapıların bilgisayar destekli taranmasında kuvvet alanının etkisi
DERYA DOKUR TEMUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI