Assessing gas separation performances of COF membranes, COF/polymer MMMs, and dual filler-incorporated polymer membranes via high-throughput computational screening
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 787443
- Danışmanlar: PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Yüzlerce kovalent organic gözenekli yapı (COF) sentezlenmiştir ve binlercesi de hesapsal olarak tasarlanmıştır. Ancak her materyali, gaz ayırma işlemi için membran olarak deneysel bir şekilde test etmek pratik değildir. Bu çalışmada, deneysel olarak sentezlenmiş COF'ların ve hipotetik COF'ların (hypoCOF) membran-temelli gaz ayırma performanslarına odaklanılmıştır. COF'ların gaz geçirgenlikleri, Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) ve Moleküler Dinamik (MD) simülasyonlarının birleştirilmesiyle hesaplanmıştır ve birçok COF membranın, He/H2, N2/CH4, H2/N2, He/CH4, H2/CH4, and He/N2 ayırma işlemi için polimerik membranların üst limitini geçebildiği bulunmuştur. Sonrasında, gaz ayırma işlemi için üst limitin üzerinde kalan COF membranların yapı-performans ilişkileri incelenmiştir ve bu ilişkiler baz alınarak büyük veritabanından en iyi hypoCOF'ların seçimi için etkin bir yaklaşım sunulmuştur. Moleküler simülasyonlar, 120 hypoCOF'un umut vaat edici olduğunu ve He/CH4, He/N2, H2/CH4, H2/N2 ayırma işlemi için üst limiti geçtiğini göstermiştir. Hem COF'lar hem de hypoCOF'lar, dolgu olarak 25 polimerde çalışılmıştır ve bugüne kadar araştırılan en fazla sayıda COF-bazlı karışık yataklı membranları (MMM) temsil eden, toplam 29,020 COF/polimer ve hypoCOF/polimer MMM'ler araştırılmıştır. COF/polimer MMM'lerin geçirgenlikleri ve seçicilikleri altı farklı gaz ayırma işlemi için hesaplanmıştır ve sonuçlar, COF'lar dolgu olarak kullanıldığında 25 polimerden 18'inin üst limitin üzerine çıktığını göstermiştir. Tezin ikinci kısmında, gaz ayırma işlemleri için polimer membranlarda çift dolgu malzemesi olarak kullanılacak en iyi performans gösteren MOF-COF çiftlerini belirlemek adına hesaplama yöntemleri geliştirilmiştir. Endüstriyel olarak önemli olan beş gaz ayırma işlemi için, CO2/N2, CO2/CH4, H2/N2, H2/CH4, H2/CO2, düşük seçicilikten dolayı üst limitin altında kalan COF/polimer MMM'lere odaklanılmıştır. Sonuçlar, PTMSP gibi görece yüksek gaz geçirgenliği (≥104 Barrer) fakat az seçiciliği (≤2.5) olan polimerler için MOF'un ikinci dolgu olarak eklenmesinin MMM'in son geçirgenliği ve seçiciliği üzerinde çarpıcı bir etkisi olduğunu göstermiştir. Dolguların yapısal ve kimyasal özelliklerin oluşturulan MMM'lerin geçirgenliği üzerindeki etkisini anlamak için MOF ve COF'ların yapı-performans ilişkisi analiz edilmiştir ve Zn, Cu, ve Cd metaline sahip olan MOF'ların MMM'lerin geçirgenliğinde en yüksek artışa neden olduğu bulunmuştur. Bu tezdeki yöntemler, gelecekteki hesaplama çalışmalarında COF'lar ve hypoCOF'lar hakkında bilgi sağlayacak ve çift dolgulu polimer membranlarda kullanılabilecek umut vaat eden MOF-COF çiftlerinin bulunmasını sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Hundreds of covalent organic frameworks (COFs) have been synthesized and thousands of them have been computationally designed. However, it is impractical to experimentally test each material as membranes for gas separations. In this work, we focused on the membrane-based gas separation performances of experimentally synthesized COFs and hypothetical COFs (hypoCOFs). Gas permeabilities of COFs were computed by combining the results of grand canonical Monte Carlo (GCMC) and molecular dynamics (MD) simulations and many COFs were found to overcome the upper bound of polymeric membranes for He/H2, N2/CH4, H2/N2, He/CH4, H2/CH4, and He/N2 separations. We then examined the structure-permeability relations of the COF membranes that are above the upper bound for each of the six gas separations and based on these relations we proposed an efficient approach for the selection of best hypoCOFs from a very large database. Molecular simulations showed that 120 hypoCOFs identified to be promising. They exceed the upper bound for He/CH4, He/N2, H2/CH4, H2/N2 separations. Both COFs and hypoCOFs were then studied as fillers in 25 polymers leading to a total of 29,020 COF/polymer and hypoCOF/polymer mixed matrix membranes (MMMs), representing the largest number of COF-based MMMs investigated to date. Permeabilities and selectivities of COF/polymer MMMs were computed for six different gas separations and results revealed that 18 of the 25 polymers can be carried above the upper bound when COFs were used as fillers. In the second part of thesis, we developed computational methods to identify the best-performing MOF-COF pairs to be used as dual fillers in polymer membranes for target gas separations. We focused on COF/polymer MMMs located below the upper bound due to their low gas selectivity for five industrially important gas separations, CO2/N2, CO2/CH4, H2/N2, H2/CH4, H2/CO2. Results showed that for polymers having a relatively high gas permeability (≥104 Barrer) but low selectivity (≤2.5) such as PTMSP, addition of the MOF as the second filler can have a dramatic effect on the final gas permeability and selectivity of the MMM. Property-performance relations of MOF and COFs were analyzed to understand effects of structural and chemical properties of the fillers on the permeability of the resulting MMMs and MOFs having Zn, Cu, and Cd metals were found to lead to the highest increase in gas permeability of MMMs. The methods in this thesis will provide insight into COFs and hypoCOFs in future computational studies and to find out promising MOF-COF pairs to be used in dual filler-incorporated polymer membranes.
Benzer Tezler
- 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
- Effects of force fields on gas separation performances of ZIFs
Kuvvet alanı paramatrelerinin ZIFlerin gaz ayırımı performansları üzerine etkisi
AYDIN ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Assessing the potential of [BMIM][MeSO4] in ionic liquid/metal organic framework composites for CO2 separation
İyonik sıvı/metal organik kafesli yapı kompozitlerinde CO2 ayrımı için [BMIM][MeSO4] potansiyelinin değerlendirilmesi
HARUN KULAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
KimyaKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
DOÇ. DR. ALPER UZUN
- Marine riser and ammonia synthesis system design for natural gas hydrate exploitation
Doğal gaz hidratlarının çıkarılması için deniz yapısı ve amonyak sentez sistem tasarımı
MAHMUT ERBİL SOYLU
Doktora
İngilizce
2024
Deniz BilimleriOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CEVDET YALÇINER
PROF. DR. MAHMUT PARLAKTUNA
- Türkiye iklim koşullarındaki veri merkezlerinin soğutulmasında ekonomizer kullanımının enerji tasarrufu ve ekonomik potansiyel değerlendirmesi
Energy savings and economic potential assessment of economizer use for cooling data centers in Turkey's climate conditions
OZAN GÖZCÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAMZA SALİH ERDEN