Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 640143
  2. Yazar: ÇİĞDEM ALTINTAŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 142

Özet

Etanın ve doğal gazın saflaştırılması fazla miktarda enerji harcamayı gerektiren iki farklı gaz ayırma sürecidir ve bu işlemler için daha az enerjiyle daha yüksek saflık verecek ayırma yöntemlerinin bulunması avantaj sağlayacaktır. Metal-organik gözenekli yapılar (MOF) yakın zamanda keşfedilen ve metal içeren atom kümelerinin organik bağlayıcılarla farklı bağlantı şekilllerinde birleştirilebilmesiyle elde edilen bir gözenekli malzeme grubudur. MOF'ların çok fazla çeşit ve sayıda bulunabildiği göz önüne alındığında yalnızca deneysel teknikler kullanarak her bir MOF'un sentezlenmesinin ve adsorbent ya da membran olarak gaz ayırma performanslarının belirlenmesinin mümkün olmayacağı anlaşılmıştır. Bu yüzden, bu tezde çok sayıda MOF'un etan/etilen (C2H6/C2H4), etan/metan (C2H6/CH4) ve karbon dioksit/metan (CO2/CH4) ayırma performansları hesaplamalı yöntemler kullanılarak taranmıştır. Tezin ilk kısmında, moleküler modelleme teknikleri kullanılarak 175 farklı MOF membranın C2H6/C2H4 ve C2H6/CH4 karışımlarını ayırma performansı incelenmiştir. Sonuçlar MOF membranların çoğu gözenekli malzemeye kıyasla C2H6/C2H4 ayrımında C2H6 seçici davrandığını göstermiştir. MOFların bir kısmı polimer membranlar için belirlenen üst limiti aşabilmiş, birçok MOF membran da zeolit ve karbon moleküler eleklerden daha yüksek gaz geçirgenliği göstermiştir. İkinci kısımda, seviyeli tarama metodu kullanılarak en son MOF veritabanındaki MOF'ların CO2/CH4 ayrımı için membrane performansları hesaplamalı yöntemlerle elde edilmiştir. Grand Kanonik Monte Karlo (GCMC) ve Denge Halindeki Molekül Dinamikleri (EMD) metotları birleştirilerek taramanın ilk seviyesinde en yüksek CO2 geçirgenliği ve CO2/CH4 seçiciliği kombinasyonunu sağlayan 8 MOF membran belirlenmiştir. Daha sonra bu 8 MOF membranın dolgulu polimer membranlarda (MMM) dolgu malzemesi olarak kullanılması ile elde edilecek CO2 geçirgenliği ve seçiciliği de incelenmiştir. Bu çalışmanın sonunda da CO2/CH4 ayrımı için MOF membranların çoğu polimerik membrandan daha iyi performans göstereceği ve MOF-dolgulu polimer membranların saf polimer membranlara göre daha yüksek geçirgenlikler verebileceği görülmüştür. CO2 ayrımında yüksek performans gösterecek MOF adaylarının belirlenmesi MOF ve CO2 molekülleri arasındaki elektrostatik etkileşimlerin doğru tanımlanmasına bağlıdır. Son kısımda, atomik yük atamak için kullanılabilecek iki farklı yöntemin yüksek sayıda MOF'un hesaplamalı taramasındaki rolü incelenmiştir. Kuantum prensibi üzerine kurulu, elektron yoğunluğuna bağlı elektrostatik ve kimyasal yük (DDEC) yöntemi ve yakınsama prensibi üzerine kurulu yük dengeleme (Qeq) yöntemi 1500 farklı MOF'un CO2/CH4 karışımı tutma performansını iki farklı çalışma koşulunda incelemek için kullanılmıştır. Bu çalışma sonucunda farklı yük atama yöntemiyle yük atanmış MOF'lar kullanıldığında yenilenebilme ve adsorbent performans skoru beraber dikkate alınarak belirlenen en yüksek performanslı MOFların aynı olmadığı görülmüştür. Bu tezdeki çalışmalar MOF'ların adsorbent ve membran olarak gaz tutma ve ayırma performanslarının hesaplamalı tarama yöntemleri ile tahmin edilebildiğini ve MOFların ticari malzemelerden daha yüksek performans verebildiğini gösterebilmiştir. Bu sonuçlar MOF'ların kullanımı, dizaynı ve geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.

Özet (Çeviri)

Ethane purification and natural gas purification are two energy-intensive processes which can advantage from better separation techniques. Metal organic frameworks (MOFs) are a recent group of nanoporous materials which can be obtained through the combination of metal nodes and organic linkers on different topologies. Considering the large number of available MOFs, it is not possible to fabricate and test the gas separation performance of every single MOF adsorbents and membranes using purely experimental manners. Therefore, the C2H6/C2H4, C2H6/CH4, and CO2/CH4 separation performances of MOFs were investigated using high-throughput computational screening methods in this thesis. In the first part, molecular simulations were used to assess membrane-based C2H6/C2H4 and C2H6/CH4 separation performances of 175 different MOF structures. Results showed that a significant number of MOF membranes is C2H6 selective for C2H6/C2H4 separation in contrast to the traditional nanoporous materials. Several MOFs were identified to exceed the upper bound established for polymeric membranes and many MOF membranes exhibited higher gas permeabilities than zeolites and carbon molecular sieves. In the second part, a multi-level high-throughput computational screening methodology was used to examine the most recent MOF database for membrane-based CO2/CH4 separation. 8 promising MOF membranes offering the best combination of CO2 permeability (>106 Barrer) and CO2/CH4 selectivity (>80) were identified by combining grand canonical Monte Carlo (GCMC) and equilibrium molecular dynamics (EMD) simulations. Permeabilities and selectivities of the mixed matrix membranes (MMM) in which the best MOF candidates were incorporated as filler particles were also investigated. Many MOF membranes could outperform polymeric membranes for CO2/CH4 separation and MOF-based MMMs can have significantly higher CO2 permeabilities and moderately higher selectivities than pure polymers. Computational identification of the promising MOF candidates for CO2 separation depends on the accurate description of electrostatic interactions between CO2 molecules and MOFs. In the last part, role of partial charge assignment methods in high-throughput computational screening of MOFs for CO2/CH4 separation was examined. A quantum based, density-derived electrostatic and chemical charge method (DDEC) and an approximate charge equilibration method (Qeq) were used to compute the adsorption of CO2/CH4 mixture in 1500 MOFs at two different operating conditions. Results showed that the identity of the best performing MOF candidates, which were selected based on the regenerability and adsorbent performance score of MOFs, can change based on the type of the charge assignment method used in simulations. Overall, results showed that high-throughput screening approaches introduced in this thesis can be used to predict gas separation performance of MOF adsorbents and membranes and MOFs can perform better than commercially used materials. The results of this thesis will be useful to guide the experiments to the most promising MOF candidates and to accelerate the development of new MOFs with high performances.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    742900

    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

    İngilizce

    2021

    Mühendislik BilimleriKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  2. Tez No

    593251

    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

    İngilizce

    2019

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  3. Tez No

    541060

    Computational screening of metal-organic frameworks for acetylene and hydrogen separations

    Metal-organik çerçevelerin hesaplamalı taraması asetilen ve hidrojen ayrımı

    AYDA NEMATI VESALI AZAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  4. Tez No

    593276

    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

    İngilizce

    2019

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  5. Tez No

    520242

    Separation performance of MOF adsorbents and membranes: Effect of charge equilibration methods

    MOF adsorban ve membranlarının ayırma performansları: Yük dengeleme metodlarının etkileri

    ÖZGE KADIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    KimyaKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI

Geri Dön