27764

شبيه سازي ديناميك مولكولي جذب دي‌اكسيد كربن از گاز طبيعي توسط نانولوله‌هاي كربني و غربال مولكولي كربني

دكتري

مهندسي شيمي

1395

1401/10/13

فرزانه فيضي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين پژوهش سه نوع ساختار كربني طراحي‌شده و جذب گاز تك جزئي CO2، CH4 و N2 و مخلوط گاز دوتايي CO2/CH4 و CO2/N2 كه به ترتيب داراي درصد مولي 95/5 و 80/20 هستند، از طريق شبيه‌سازي GCMC در دماي K 300 و بازه فشاري bar 10-1/0 مورد بررسي قرار گرفت. در ساختار¬هاي طراحي‌شده نوع اول، از بسته¬هاي نانولوله كربني (CNTs) به‌عنوان حامل چهار نوع مايع يوني (ILs) 1-Butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([BMIM][TF2N])، 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ([BMIM][PF6])، methylimidazolium thiocyanate ([BMIM][SCN]) و methylimidazolium methyl sulfate ([BMIM][MeSO4]) استفاده شد. در اين بخش به بررسي اثر نوع آنيون و تعداد جفت مولكول¬هاي مايعات يوني اضافه‌شده به ساختار بسته¬هاي CNTs بر جذب و جداسازي CO2 پرداخته شد. نتايج حاكي از آن بود كه افزايش تعداد مولكول¬هاي ILs در كامپوزيت¬ها سبب افزايش جداسازي مي¬شود. همچنين، گرماي ايزوستريك جذب و كميت¬هاي ترموديناميكي نشان از تمايل بالاي كامپوزيت¬هاي حاوي ILs به جذب CO2 داشتند. در ساختارهاي طراحي‌شده نوع دوم، از CNT بكر و CNT عامل دار شده (F-CNT) با گروه¬هاي عاملي -NH2 و -COOH به‌عنوان پركننده در ساختار سلولز استات بوتيرات (CAB) استفاده شد. ايزوترم¬هاي جذب، گزينش پذيري و گرماي ايزوستريك محاسبه شدند كه نشان داد CNT و F-CNTs جذب انتخابي CO2 را در بين گازهاي CH4 و N2 فراهم مي‌كنند. علاوه بر اين، پارامترهاي ترموديناميكي و ثابت هنري (KH) محاسبه شد كه نشان مي‌دهد CH4 و N2، KH كمتري نسبت به CO2 دارند و ميل تركيبي آن‌ها براي سطوح كامپوزيت ضعيف‌تر است. در مقايسه با CH4 و N2، CO2 داراي تغييرات انرژي آزاد گيبس و پتانسيل سطحي بالاتري است كه نشان آن بود كه جذب CO2 در كامپوزيت‌ها مطلوب‌تر و خودبه‌خودي¬تر است. علاوه بر اين، تغيير انتروپي بالاتر جذب CO2 نشان داد كه مولكول‌هاي CO2 يك بازآرايي بسيار پايدارتر در مقايسه با مولكول‌هاي CH4 و N2 ايجاد مي‌كنند. ساختار طراحي‌شده سوم، با استفاده از تجزيه حرارتي سلولز حاصل شد كه شامل ده غربال مولكول كربني (CMS) با دانسيته¬هاي مختلف است. بيشترين ميزان جذب CO2 مربوط به CMS با دانسيته g/cm3 351/0 بود. ثابت هنري براي CH4 و N2 كوچك‌تر از CO2 بود و ميل تركيبي آن‌ها براي سطوح CMS ضعيف‌تر از CO2 بود. كميت¬هاي ترموديناميكي محاسبه شد كه نشان داد با افزايش دانسيته CMS مقدار جذب CH4 و N2 كاهش مي‌يابد. انرژي آزاد گيبس و پتانسيل سطحي CO2 خالص بالاتر نشان دهنده آن بود كه جذب CO2 در CMSs مطلوب‌تر و خودبه‌خودي‌تر از CH4 و N2 است. تغيير انتروپي بالاتر جذب CO2 گازهاي تك جزئي و مخلوط‌هاي گازي دوتايي نشان داد كه مولكول‌هاي CO2 يك بازآرايي بسيار پايدارتر از CH4 و N2 را تشكيل مي‌دهند. با توجه به آنچه گفته شد، با بهره‌گيري از خواص عالي CNTs در جداسازي گازها مي¬توان ساختارهايي با توانايي جذب بالاي CO2 ساخت. همچنين با استفاده از آذركافت سلولز به‌عنوان ماده¬اي ارزان و در دسترس مي¬توان به ساختاري اقتصادي با قدرت جذب بالا دست يافت.

1401/11/02

Molecular Dynamics simulation of carbon dioxide adsorption from natural gas by carbon nanotubes and carbon molecular sieve

1/3/2024 12:00:00 AM

Three types of carbon structures were designed in this study.Through GCMC simulations at 300K and 0.1-10 bar, we investigated the adsorption of pure CO2, CH4, and N2 and CO2/CH4 and CO2/N2 binary gas mixtures with 5/95 and 20/80 molar percentages, respectively. In the first type of designed structures, carbon nanotube bundles (CNTs) were used as carriers of four kinds of ionic liquids (ILs): methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([BMIM][TF2N]), 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ([BMIM][PF6]), methylimidazolium thiocyanate ([BMIM][SCN]) and methylimidazolium methyl sulfate ([BMIM][MeSO4]). The adsorption and separation of CO2 were investigated in this section using CNTs bundles with different types of anion and the number of pairs of ionic liquid molecules. There was an increase in separation as the number of ILs molecules in the composites increased. Also, thermodynamic quantities and isosteric heat of adsorption indicate a strong tendency for composites with ILs to adsorb CO2. In the second type of designed structures, pristine CNT and functionalized CNT (F-CNT) with -NH2 and -COOH functional groups were used as fillers in the cellulose acetate butyrate (CAB) structure. CNTs and F-CNTs provide selective CO2 adsorption between CH4 and N2, according to adsorption isotherms, selectivity, and isosteric heat calculations. Additionally, thermodynamic parameters and Henry's constant (KH) were calculated, showing that CH4 and N2 have lower KH than CO2 and have a weaker affinity for composite surfaces. The Gibbs free energy changes and surface potential of CO2 are higher than those of CH4 and N2, indicating that CO2 adsorption is more favorable and spontaneous on composites. Furthermore, the higher entropy change of CO2 adsorption indicates that CO2 molecules form a much more stable rearrangement than CH4 and N2. Ten carbon molecular sieves (CMS) with different densities were obtained in the third designed structure by pyrolyzing cellulose. The highest amount of CO2 adsorption was found in CMS, with a density of 0.351 g/cm3. CH4 and N2 had smaller Henry's constants than CO2, and their affinity for CMS surfaces was weaker than that of CO2. With increasing CMS density, CH4 and N2 adsorption decreased according to thermodynamic quantities. As CO2 has a higher Gibbs free energy and surface potential than CH4 and N2, its adsorption on CMSs is more favorable and spontaneous. According to the higher entropy change of CO2 adsorption of pure gases and binary gas mixtures, CO2 molecules form a much more stable rearrangement than CH4 and N2. Based on what was said, CNTs can be used to make structures with high CO2 adsorption capabilities by utilizing their excellent properties in gas separation. It is also possible to achieve an effective and economical adsorption structure by pyrolyzing cellulose, a cheap and readily available material.

جذب سطحي , نانولوله كربني , غربال مولكول كربني , ترموديناميك جذب سطحي , شبيه سازي مولكولي

Gas adsorption , Carbon nanotubes , Carbon molecular sieves , Thermodynamics of adsorption , Molecular simulation

Behnoush Barzegar

Farzaneh Feyzi