30437

مكانيسم جذب و جداسازي CO2 از جريان گازي به كمك غشاء ماتريس مركب دو بعدي انباشته: شبيه‌‌سازي ديناميك مولكولي

كارشناسي ارشد

مهندسي نانوفناوري گرايش نانومواد

1399

29/09/1402

آقاي دكتر صادق صادق زاده

آقاي دكتر حسين بنا متجدد امروز

فناوريهاي نوين

انتشار كنترل نشده دي‌‌اكسيد كربن (CO2) به‌‌عنوان اصلي‌‌ترين گاز گلخانه‌‌اي به جو باعث فجايع اقليمي مي‌‌شود، بنابراين توسعه فرآيندهاي جداسازي كارآمد آن حياتي است. غشاهاي ماتريس مركب (MMM) متشكل از پركننده‌‌‌ها در ماتريس پليمري به‌‌عنوان يك روش جايگزين موفق براي جذب و جداسازي CO2 پس از احتراق به سمت توسعه پايدار در نظر گرفته مي‌‌شوند. با اين مقدمه، در اين پژوهش شبيه‌‌سازي ديناميك مولكولي گرافن دو بعدي انباشته (S2DG) به‌‌عنوان پركننده در پليمرPebax-30R51 توسط نرم‌‌افزار متريالز استوديو براي ساخت MMMها با تراوش‌‌پذيري و گزينش‌‌پذيري بالاي CO2 و غلبه بر چالش‌‌هاي موجود در مطالعه تجربي مورد مطالعه قرار گرفت. تأثير درصدهاي وزني مختلف S2DG (wt% 15-0) بر خصوصيات فيزيكي و انتقال گاز Pebax-30R51/S2DG در دماي ℃ 25 و فشار bar 1 مورد بررسي قرار گرفت. پارامترهاي موفولوژيكي شامل پراش اشعه ايكس و حجم آزاد كسري و تابع توزيع شعاعي مورد بررسي قرار گرفتند. افزودن wt% 5 از S2DG به پليمر خالص باعث بهبود ساختار آمورف، افزايش فاصله d و افزايش حجم آزاد كسري پليمر شد. نتايج تجزيه‌‌وتحليل تراوش‌‌پذيري گازها افزايش قابل توجه هم‌‌زمان تراوش‌‌پذيري و گزينش‌‌پذيري CO2/N2 را توسط Pebax-30R51/5wt%S2DG نشان داد. افزايش درصد وزني S2DG به مقادير 10 و 15، كلوخه‌‌شدگي S2DG و در نتيجه‌‌ي آن كاهش فاصله d و حجم آزاد كسري غشاء را باعث شد. همچنين غلظت بالاي پركننده منجر به اشباع حلاليت CO2 شده و با ايجاد ميل تركيبي قوي نسبت به CO2، نفوذ CO2 را محدود كرده و تراوش‌‌پذيري و گزينش‌‌پذيري آن را به طرز چشمگيري كاهش مي‌‌دهد. غشاي بهينه Pebax-30R51/5wt%S2DG تراوش‌‌پذيري بالاي CO2 Barrer 02/721 و گزينش‌‌پذيري 95/66 را براي CO2/N2 از خود نشان داد كه فراتر از كران بالايي رابسون 2008 و 2019 قرار گرفت. اين پژوهش نشان مي‌‌دهد كه انتخاب پركننده و پليمر مناسب با درصدهاي وزني بهينه يك استراتژي اميدواركننده براي بهبود عملكرد جداسازي گاز براي كامپوزيت‌‌هاي MMM است كه مكانيسم جداسازي انحلال-نفوذ را نشان مي‌‌دهند.

1402/11/10

The sorption and separation mechanism of CO2 from gas stream using stacked 2D mixed matrix membranes: molecular dynamic simulation

1/1/1900 12:00:00 AM

The uncontrolled emission of carbon dioxide as the main greenhouse gas into the atmosphere causes climate disasters, so the development of its efficient separation processes is crucial. Mixed matrix membranes consisting of fillers in polymer matrix are considered as a successful alternative method for post-combustion CO2 separation towards sustainable development. Herein, the molecular simulation of stacked two-dimensional graphene (S2DG) as a filler in Pebax-30R51 polymer was studied by Materials Studio software to make MMMs with high CO2 permeability and selectivity and overcome the challenges in the experimental study. The effect of different weight percentages of S2DG (0-15% wt) on the physical and gas transport properties of Pebax-30R51/S2DG was investigated at 25℃ temperature and 1 bar pressure. Morphological parameters including X-ray diffraction and free fractional volume and radial distribution function were investigated. Adding 5 wt% of S2DG to the pure polymer improved the amorphous structure, increased the d-spacing, and increased the free fractional volume of the polymer. The results of gas permeability analysis also showed a significant increase in permeability and selectivity of CO2/N2 by Pebax-30R51/5wt%S2DG. Increasing the weight percentage of S2DG to 10 and 15 caused the agglomeration of S2DG and as a result, the decrease of the d distance and free fractional volume of the membrane. Also, the high concentration of the filler leads to the saturation of CO2 solubility and by creating a strong affinity towards CO2, it limits the diffusion of CO2 and significantly reduces its permeability and selectivity. The optimized Pebax-30R51/5wt%S2DG membrane showed a high CO2 permeability of 721/02 Barrer and a selectivity of 66/95 for CO2/N2, which overcome the upper limit of Robson 2008 and 2019. This study shows that the selection of suitable filler and polymer with optimal weight percentages is a promising strategy to improve gas separation performance of MMM composites that exhibit solution-diffusion separation mechanism.

جداسازي CO2 , ديناميك مولكولي , گرافن دو بعدي انباشته , غشاء ماتريس مركب , Pebax

CO2 separation , Mixed matrix membrane , Molecular dynamics , Pebax , Stacked 2D graphene

zahra rouzitalab

dr. sadegh sadeghzadeh