شماره ركورد
34752
پديد آورنده
فاطمه بهمن زادگان جهرمي
عنوان
مطالعه تجربي و شبيهسازي مولكولي نانوساختارهاي زئوليتي جهت بررسي مكانسيم جذب و انتقال جرم دياكسيد كربن با تلفيق هوش مصنوعي
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1405/01/30
استاد راهنما
دكتر احد قائمي
استاد مشاور
دكتر رضا نوروزبيگي
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
در اين پژوهش، ساختار سلسله مراتبي هسته-پوسته zeolite 13X@ZIF-8 از طريق روش رشد درجا در دو مرحله و با استفاده از دياتانولآمين بهعنوان عامل رشد پوسته روي هسته زئوليت براي اولين بار سنتز شد. بررسيهاي بلوري و ميكروسكوپي نشان دادند كه پوسته نانومقياس ZIF-8 بهصورت يكنواخت بر روي هسته زئوليت 13X رشد يافته و تخلخل سلسلهمراتبي تركيب بدون از دست رفتن يكپارچگي بلوري هر دو فاز تشكيل شده است. آزمايشهاي جذب دياكسيدكربن در دماهاي 25-65 درجه سلسيوس و فشارهاي 1–9 بار انجام شد. نتايج نشان داد كه بيشينه ظرفيت جذب در فشار 1 بار و دماي 25 درجه سلسيوس برابر با 6/1 ميلي مول بر گرم است. علاوه بر اين، نتايج آزمايشها نشان داد پس از 40 چرخه جذب-واجذب، بيش از 5/94 درصد از ظرفيت اوليه همچنان حفظ ميشود. براي تحليل مكانيزمهاي انتقالجرم، سينتيك جذب با مدلهاي مختلف سينتيكي و براساس دادههاي تجربي برازش شد كه مدل آورامي بهترين همخواني را نشان داد و فرآيند چندمرحلهاي و غيرخطي جذب را تأييد نمود. همچنين با بهرهگيري از چارچوبهاي مقاومت سري و دوگانه، سهم مقاومت فيلمي، انتشار نادسن، انتشار درون ذره اي و انتقال سطحي تفكيك گرديد. با استفاده از قضيه پاي باكينگهام، يك رابطه بدونبعد براي برآورد ضريب نفوذ موثر در مواد هسته-پوسته ايجاد شد كه اثر ضخامت پوسته، هندسه ذرات، ساختار ماده و شرايط عملياتي را بهطور همزمان دربر ميگيرد. همچنين ساختار سلسله مراتبي هسته-پوسته zeolite 13X@ZIF-8 براي اولين بار توسط نرم افزار متريال استديو شبيهسازي شد. بررسيهاي بلوري ساختار شبيه سازي شده با ساختار تجربي مطابقت داشت. شبيهسازي جذب دياكسيد كربن بر روي جاذب در دماهاي ثابت 25-55 درجه سلسيوس و فشارهاي متغير0-10 بار انجام شد. نمودارهاي ايزوترمي، ميزان گرماي ايزوستريك و مكانهاي ترجيحي جذب دياكسيدكربن مشخص شدند. علاوه بر اين روش، يك چارچوب دادهمحور توسط يادگيري ماشين، ارائه شد كه رفتار جذب در ساختارهاي هسته-پوسته را در شرايط گوناگون فيزيكوشيميايي تبيين ميكند. مجموعه 670 داده مورد استفاده شامل نسبتهاي سيليس به آلومينيوم در بازه 1 تا 30، دماهاي 273 تا 338 كلوين، فشارهاي 0 تا 10 بار، مساحتهاي سطح بر اساس آناليز تعيين سطح ويژه بين 211 تا 1504 مترمربع بر گرم، حجمهاي تخلخل از 07/0 تا 77/0 سانتيمتر مكعب بر گرم و درصد افت حرارتي تا دماي 300 درجه سلسيوس كه بين 3 تا 23 درصد بود. مدلهاي يادگيري براي پيشبيني ظرفيت جذب دياكسيد كربن آموزش و بهينهسازي شدند و سازگاري بسيار بالايي با نتايج تجربي نشان دادند؛ بهگونهاي كه مقدار ضريب تعيين در همه مدلها بيش از 9700/0 بهدست آمد. در ميان آنها، مدل شبكه عصبي تابع پايه شعاعي بهترين عملكرد پيشبيني را با ضريب تعيين برابر 9988/0 و ميانگين مربعات خطا برابر 003/0 نشان داد و توانست بهطور مؤثري تعاملات غيرخطي ميان ويژگيهاي تركيبي و عملياتي را ثبت كند. تحليلهاي مدلهاي يادگيري ماشين نشان داد كه مساحت سطحي ويژه، فشار و دما اثرگذارترين متغيرها هستند؛ در حالي كه تركيب چارچوب و وزن مولكولي فلز نقشهاي ثانويه اما همافزا دارند كه از طريق ناحيه تماس هسته-پوسته ظاهر ميشوند. نسبتهاي مياني سيليس به آلومينيوم و فلزات با جرم متوسط مانند روي و مس، تعادلي ميان آبدوستي و اسيديته لوييس ايجاد كرده و در نتيجه فرآيند جذب را تقويت كردند. اين همبستگي پيشبينيكننده، ساختار مقياسپذير براي طراحي و بهينهسازي جاذبهاي سلسلهمراتبي ارائه ميدهد و مبناي مهندسي مواد پيشرفته با كارايي بالاي جذب دياكسيد كربن را فراهم ميآورد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/12
عنوان به انگليسي
Experimental Study and Molecular Simulation of Zeolitic Nanostructures to Investigate Carbon Dioxide Adsorption and Mass Transfer Mechanisms Integrating Artificial Intelligence
تاريخ بهره برداري
4/19/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
فاطمه بهمن زادگان جهرمي
چكيده به لاتين
In this research, a hierarchical core–shell zeolite 13X@ZIF-8 structure was synthesized for the first time using a two-step in situ growth strategy, in which diethanolamine was employed as a shell-growth directing agent on the zeolite core. Crystallographic and microscopic characterizations confirmed the uniform formation of a nanoscale ZIF-8 shell over the Zeolite 13X core, leading to the development of a hierarchically porous composite while preserving the crystallographic integrity of both constituent phases. Carbon dioxide adsorption experiments were conducted over a temperature range of 25–65 °C and pressures between 1 and 9 bar. The results showed a maximum CO2 adsorption capacity of 6.1 mmol g⁻1 at 1 bar, along with excellent cyclic stability, with more than 94.5 % of the initial adsorption capacity retained after 40 adsorption–desorption cycles. To investigate the governing mass-transfer mechanisms, adsorption kinetics were analyzed by fitting experimental data to several kinetic models. Among them, the Avrami model exhibited the best agreement, confirming the non-linear and multi-stage nature of the adsorption process. Furthermore, by employing dual- and series-resistance frameworks, the individual contributions of film diffusion, Knudsen diffusion, intraparticle diffusion, and surface diffusion were quantitatively distinguished. The results revealed that the effective diffusion coefficient decreases as pressure increases from 1 to 9 bar, with surface diffusion identified as the dominant transport mechanism. Based on Buckingham’s π-theorem, a novel dimensionless correlation was developed to estimate the effective diffusion coefficient in core–shell adsorbents, simultaneously accounting for shell thickness, particle geometry, material structure, and operating conditions. In parallel, the hierarchical zeolite 13X@ZIF-8 structure was modeled for the first time using Materials Studio, and the simulated crystallographic features showed strong agreement with experimental observations. Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations of CO2 adsorption were performed at fixed temperatures of 25–55 °C and pressures up to 10 bar to validate experimental adsorption trends and to provide molecular-level insight into adsorption isotherms, isosteric heats of adsorption, and preferential adsorption sites. In this work, molecular simulations were employed exclusively as a validation and mechanistic interpretation tool rather than as a data source for predictive modeling. Beyond molecular-scale analysis, a data-driven framework based on machine learning was developed to predict CO2 adsorption capacity in core–shell zeolite@MOF systems under diverse physicochemical conditions. A comprehensive dataset comprising 670 experimental data points, collected from this study and published experimental literature on Zeolite@MOF core–shell adsorbents, was constructed. The dataset included Si/Al ratios (1–30), temperatures (273–338 K), pressures (0–10 bar), BET surface areas (211–1504 m2 g⁻¹), pore volumes (0.07–0.77 cm3 g⁻1), and TGA mass loss up to 300 °C (3–23 %). Multilayer perceptron (MLP), radial basis function (RBF), and support vector machine (SVM) models were trained and optimized, all demonstrating excellent agreement with experimental results, with coefficients of determination exceeding 0.97. Among them, the RBF neural network achieved the highest predictive accuracy (R² = 0.9988, MSE = 0.003), effectively capturing the complex non-linear interactions between structural and operational descriptors. Interpretability analysis of the machine-learning models indicated that BET surface area, operating pressure, and temperature are the most influential parameters governing CO2 adsorption performance, while framework composition and metal molecular weight exert secondary but synergistic effects through core–shell interfacial interactions. Intermediate Si/Al ratios and metals with moderate atomic weights, such as zinc and copper, were found to balance hydrophilicity and Lewis acidity, thereby enhancing adsorption efficiency. Overall, the integrated experimental, molecular-scale validation, and data-driven framework developed in this thesis provides a physically grounded and scalable strategy for the rational design and optimization of high-performance hierarchical adsorbents for CO2 capture.
كليدواژه هاي فارسي
زئوليت , كربن دي اكسيد , شبيه سازي مولكولي , ماشين لرنينگ , ساختار هسته-پوسته
كليدواژه هاي لاتين
zeolite , Molecular simulation , Carbon dioxide , Machine learning , core-shell structure
Author
fatemeh bahmanzadegan jahromi
SuperVisor
ahad ghaemi