30034

مطالعه تجربي، مدلسازي و بهينه سازي فرآيند جذب دي اكسيد كربن توسط چارچوب آلي-فلزي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1399

1402/6/28

دكتر شاه حسيني

مهندسي شيمي

امروزه تمايل به استفاده از چارچوب‌هاي آلي-فلزي (MOFs) به¬دليل مساحت سطح بالا و ساختار تغيير پذير در جذب گاز دودكش، حاصل از نيروگاه¬هاي سوخت فسيلي افزايش يافته¬است. هدف از اين¬كار سنتز جاذب MOF بر پايه زيركونيوم و كامپوزيت آن با اكسيد گرافن (GO) به¬منظور جذب CO2 در راكتور ناپيوسته و بهينه¬سازي جاذب از طريق اصلاح پس از سنتز جهت بهبود ظرفيت جذب است. مشخصات ساختاري جاذب‌ها به¬وسيله تكنيك¬هاي مختلف از جمله FTIR، XRD، FE-SEM، TGA و BET ارائه شده¬است. سپس جهت بهينه¬سازي از روش طراحي آزمايش با سه فاكتور دما، فشار و درصد جرمي تركيب كامپوزيت به عنوان متغيرهاي ورودي و درصد جذب (mmol/g) به عنوان پاسخ استفاده شد. پس‌ از مشخص‌ شدن شرايط‌ بهينه‌ از طريق‌ محاسبه‌ ميانگين‌ مربعات انحراف و آناليز واريانس (دماي ˚C 27.183، فشار bar 8.719 و درصد جرمي 15.394، ظرفيت جذب mmol/g‌ 12.287 به عنوان پاسخ)، نمونه‌ بهينه‌ سنتز شد. علاوه ¬بر اين، آزمايش¬هايي به¬منظور بررسي مدل¬هاي ايزوترمي، سينتيكي و همچنين ترموديناميك جذب توسط جاذب بهينه انجام شده¬است. براي جاذب بهينه، مدل ايزوترم مطابق با مدل ايزوترم فرندليچ بوده كه نشان¬دهنده جذب چندلايه بر روي سايت‌هاي ناهمگن سطح جاذب مي‌باشد. بررسي مدل¬هاي سينتيكي نشان داد كه در جاذب بهينه مدل سينتيكي مرتبه كسري و مرتبه دوم در دماهاي انتخابي K 298، 318 و 338 بهترين برازش را به داده¬هاي جذب CO2 فراهم مي¬كنند كه بيانگر وجود همزمان جذب فيزيكي و شيميايي در فرآيند جذب مي‌باشد. در انتها، امكان‌پذيري فرايند جذب با استفاده از مدل¬سازي ترموديناميكي بررسي شده-است كه مقادير آنتالپي، آنتروپي و انرژي آزاد گيبس به¬ ترتيب برابر با Kj/mol 903/19- و Kj/mol.k 034/0- و Kj/mol 9.692- تا 8.321- در كل بازه‌ي دمايي انتخابي و bar5 به¬دست آمده¬است كه نشان-دهنده گرمازا بودن فرايند جذب و خودبخودي بودن آن مي‌باشد. نهايتا براي جاذب بهينه نتايج مربوط به محاسبه فاكتور گزينش‌پذيري IAST نشان داد كه در تركيب درصد 15:85 CO2/N2 و فشار 1 بار و دماي 298 درجه كلوين، فاكتور گزينش‌پذيري 119 بدست آمده است.

1402/08/20

Experimental study, modeling and optimization of carbon dioxide adsorption process by Metal-Organic Framework

9/18/2024 12:00:00 AM

Today, the tendency to use metal-organic frameworks (MOFs) has increased due to their high surface area and variable structure in adsorbing flue gas from fossil fuel power plants. The aim of this work is to synthesize MOF adsorbent based on zirconium and its composite with graphene oxide (GO) in order to adsorb CO2 in a batch reactor and to optimize the adsorbent through post-synthesis modification to improve the adsorption capacity. The structural characteristics of the adsorbents have been presented by various techniques such as FTIR, XRD, FE-SEM, TGA and BET. Then, for optimization, the experiment design method was used with three factors of temperature, pressure and mass percentage of composite composition as input variables and adsorption percentage (mmol/g) as response. After determining the optimal conditions by calculating the mean square deviation and analysis of variance (temperature 27.183 ˚C, pressure 8.719 bar and mass percentage 15.394, adsorption capacity 12.287 mmol/g as the answer), the optimal sample was synthesized. In addition, experiments have been conducted to investigate the isothermal, kinetic and thermodynamic models of adsorption by the optimal adsorbent. For the optimal adsorbent, the isotherm model is in accordance with the Freundlich isotherm model, which indicates multilayer adsorption on the heterogeneous sites of the adsorbent surface. The study of kinetic models showed that in the optimal adsorber, fractional order and second order kinetic models at selected temperatures of 298, 318 and 338 K provide the best fit to CO2 absorption data, which indicates the simultaneous existence of physical and chemical absorption in the process. Finally, the feasibility of the adsorption process has been checked using thermodynamic modeling, and the values of Enthalpy, Entropy and Gibbs free energy are equal to -19.903 Kj/mol, -0.034 Kj/mol, and Kj /mol was obtained from -9.692 to -8.321 in the entire selected temperature range and 5 bar, which indicates that the adsorption process is exothermic and spontaneous. And finally, for the optimal adsorbent, the results related to the calculation of the selectivity factor of IAST showed that the selectivity factor of 119 was obtained in the combination of 85:15 CO2/N2, pressure of 1 bar and temperature of 298 K.

دي‌اكسيد كربن، جذب سطحي، كامپوزيت، AD-UiO-66، اكسيد گرافن، روش‌ سطح پاسخ، گزينش‌پذيري

carbon dioxide, surface adsorption, composite, AD-UiO-66, graphene oxide, RSM, selectivity

Keywan Azizi

Dr. Shahrokh Shah Hossieni