Comparatıve molecular dynamıcs study of equılıbrıum and non-equılıbrıum approaches ın cof and mof membranes for gas separatıon
Gaz ayırma için cof ve mof membranlarda denge ve denge dışı yaklaşımların karşılaştırmalı moleküler dinamik çalışması
- Tez No: 988284
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKNUR ERUÇAR FINDIKÇI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışması, gaz ayrımı amacıyla membran olarak kullanılan kovalent organik yapılar (COF) ve metal organik yapılar (MOF) üzerinde kapsamlı bir moleküler dinamik incelemesini sunmaktadır. Çalışmada, konsantrasyon gradyanına dayalı moleküler dinamik (CGD-MD) yöntemi kullanılmıştır. İlk olarak, literatürde deneysel verileri mevcut olan iki farklı COF membranı, COF-300 ve COF-320 üzerinden hidrojen (H₂) ve metan (CH₄) akışı simüle edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, deneysel geçirgenlik ve seçicilik değerleriyle güçlü bir uyum göstermiştir. Aynı yöntem kullanılarak on üç farklı COF daha incelenmiş ve H₂/CH₄ ayrımı için NPN-1 ve PCOF-2 gibi umut verici adaylar belirlenmiştir. Ardından, sonuçlarımız gaz adsorpsiyonu ve difüzyon parametrelerini tahmin etmek için grand kanonik Monte Carlo (GCMC) ve denge moleküler dinamik (EMD) yöntemlerini birleştiren yaklaşım ile karşılaştırılmıştır. Bulgular, COF membranlarının gözenek boyutları 10 Å'nın altına indiğinde iki yöntemin farklı sonuçlar verebildiğini göstermiştir. GCMC+EMD yöntemi CH₄ seçiciliği öngörürken, CGD-MD yöntemi H₂ seçiciliği göstermektedir. Bu durum, COF membranlarının gaz taşınım performansını değerlendirirken seçilen yöntemin önemini ortaya koymaktadır. Tezin ikinci bölümünde, zeolitik imidazolat yapı-8 (ZIF-8)'in basınca bağlı amorflaşma süreci ayrıntılı olarak incelenmiştir. Simülasyonlar, atomik yük atama modellerinin ve gözeneklerdeki CH₄ misafir moleküllerinin varlığının, yapısal çöküşün başlangıcı ve ilerleyişi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Rastgele başlangıç hızlarıyla yapılan farklı simülasyonlar, amorflaşma sürecinin rastlantısal doğasını ortaya koymuştur. ZIF-8'in basınca bağlı amorflaşma sürecinde uzun menzilli düzenin kaybını izlemek için g(r) çift dağılım fonksiyonu (PDF) analizi yapılmıştır. ZIF-8'in kristalliği 0.8 GPa'ya kadar korunmakta, ancak daha yüksek basınçlarda yaklaşık 7–30 Å aralığındaki PDF piklerinin kaybolmasıyla uzun menzilli düzen bozulmakta ve yapı amorf hale gelmektedir. Orta miktarda adsorbe olmuş CH₄ molekülü (≤54) kristalden amorf yapıya geçiş basıncını değiştirmezken, yüksek yükleme (400 molekül) durumunda amorflaşma başlangıcının yaklaşık 1.0 GPa'ya kaydığı gözlenmiştir. Amorflaşma ile elde edilen yapılar kullanılarak CGD-MD yöntemi, kristal ve amorf ZIF-8 membranlarında CO₂/CH₄ ayrımı için uygulanmıştır. Kristal form, CO₂ için 23.380 Barrer ve CH₄ için 1.746 Barrer olmak üzere daha yüksek geçirgenlik göstermiştir. Buna karşılık, 0.4 GPa'da elde edilen yapı ([email protected] GPa) CO₂ için 11.617 Barrer ve CH₄ için 591 Barrer geçirgenlik sergilemiştir. Bu düşüşe rağmen, [email protected] GPa'nın CO₂/CH₄ ideal seçiciliği (19.65) kristal forma (13.39) göre daha yüksek bulunmuştur. Ortalama kalma süresi (MRT) analizi, CO₂ moleküllerinin yapı içinde CH₄'e kıyasla daha uzun süre kaldığını ve daha güçlü etkileşimler gösterdiğini doğrulamıştır. Sonuç olarak, bu çalışma, gözenekli membranlarda gaz taşınımını incelemek için GCMC+EMD ve CGD-MD yöntemlerini karşılaştırmakta ve amorflaşmanın gaz ayırma performansını iyileştirmek için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir. Bu bulgular, gözenekli malzemelerde gaz taşınımının anlaşılmasına katkı sağlamakta ve gelecekteki COF ve MOF membranlarının tasarımı için denge dışı simülasyonların önemini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis study presents a comprehensive investigation of covalent organic frameworks (COFs) and metal organic frameworks (MOFs) as gas separation membranes, using a non-equilibrium approach called concentration gradient-driven molecular dynamics (CGD-MD). First, hydrogen (H2) and methane (CH4) flux was simulated through two distinct COF membranes, COF-300 and COF-320, for which experimental data are available in the literature. The results were in strong agreement with the experimental permeability and selectivity values. Leveraging the same methodology, thirteen COFs were screened, revealing promising candidates such as NPN-1 and PCOF-2 for H2/CH4 separation. We then compared our findings with simulations utilizing the well-known approach that merges grand canonical Monte Carlo (GCMC) and equilibrium molecular dynamics (EMD) to predict gas adsorption and diffusion parameters in COF membranes. Our results showed that when the pore sizes of COF membranes are below 10 A˚ , the two methods can give different results. The GCMC+EMD approach predicts CH4 selectivity, whereas the CGD-MD method indicates H2 selectivity. It shows that the choice of method is important for evaluating gas transport performance of COF membranes. In the second part, the pressure-induced amorphization of zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) was studied. Simulations showed that the atomic charge assignment models and the presence of guest CH4 molecules inside the pores, strongly affect the onset and pathway of structural collapse. Different simulation runs with random initial velocities produced different results, highlighting the stochastic nature of the amorphization process. We performed pair distribution function (PDF) g(r) analysis to capture the loss of long-range order during the pressure-induced amorphization of ZIF-8. The crystallinity of ZIF-8 is preserved up to 0.8 GPa, but further pressure increases result in the loss of PDF peaks from approximately 7 to 30 A˚ , indicating the degradation of long-range order and the transition to an amorphous state. Incorporating a moderate number of adsorbed CH4 molecules (≤54) into ZIF-8 does not affect the initial amorphization pressure. However, when the number of adsorbed CH4 molecules increases to a saturated loading (400), the amorphization onset shifts to approximately 1.0 GPa. The CGD-MD method was finally applied to crystalline and created amorphized ZIF-8 membranes for CO2/CH4 separation. The crystalline form showed higher permeability for both gases, with 23,380 Barrer for CO2 and 1,746 Barrer for CH4. In contrast, the structure obtained at 0.4 GPa ([email protected] GPa) had lower permeabilities of 11,617 Barrer for CO2 and 591 Barrer for CH4. Despite this reduction, [email protected] GPa exhibited higher CO2/CH4 ideal selectivity (19.65) compared to the crystalline form (13.39). Mean residence time analysis confirmed that CO2 interacts more strongly and remains longer in the frameworks than CH4. In conclusion, this study compares GCMC+EMD and CGD-MD methods for gas transport in porous membranes and shows how amorphization can be used to improve their gas separation performance. These results help to understand the gas transport in porous materials and highlight the value of non-equilibrium simulations for designing future COF and MOF membranes.
Benzer Tezler
- Hydrate risk screening with CPA-based thermodynamics and surrogate models
CPA tabanlı termodinamik ve vekil modeller ile hidrat risk taraması
DEVRİM BAŞAR HAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT ÇINAR
- Numerical and experimental investigation of thermal performance of graphene reinforced aluminium
Grafen takviyeli alüminyumun termal performansının sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
AHMET BERK YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüEnerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KASIM TOPRAK
DOÇ. DR. SİNAN KANDEMİR
- Molecular dynamics studies on proteins involved in genetic variation and metabolism: DMC1 and lipase
Genetik varyasyon ve metabolizmada rol alan proteinler üzerine moleküler dinamik çalişmalari: DMC1 ve lipaz
NACİYE DURMUŞ
Doktora
İngilizce
2024
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT BALTA
- Non-equilibrium molecular dynamics simulations of gas phase separations and transport in porous membranes
Başlık çevirisi yok
AYDIN OZCAN
Doktora
İngilizce
2020
Kimya MühendisliğiUnıversıty Of London - Unıversıty College LondonPROF. Ozgur Yazaydin
- RSM optimizasyonu ile çörekotu (Nigella Sativa L.) atık biyokütlesi-esaslı üretilen aktif karbon kullanılarak uçucu organik bileşiklerin giderilmesi ve fotovoltaik uygulamalarının incelenmesi
Examination of volatile organic compounds removal and photovoltaic applications using activated carbon derived from black cumin (Nigella Sativa L.) waste biomass through RSM optimization
EBRU BATUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiSiirt ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN KUTLUAY