عنوان

ارزيابي غشاهاي دوبعدي برپايه نانوساختارهاي کربني براي جداسازي گازها با استفاده از شبيه‌سازي مولکولي

شماره

پ۲۸۴۲۱

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

ارزيابي غشاهاي دوبعدي برپايه نانوساختارهاي کربني براي جداسازي گازها با استفاده از شبيه‌سازي مولکولي

نام نخستين پديدآور

سیامک پاکدل

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسی شیمی و نفت

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۴۰۲

نام خاص و کميت اثر

۱۵۶ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکتری

نظم درجات

مهندسی شیمی

زمان اعطا مدرک

۱۴۰۱/۱۱/۱۶

متن يادداشت

در پژوهش حاضر، عملکرد جداسازي گازها توسط غشاهاي نانوساختار با استفاده از روش شبيه‌سازي ديناميک مولکولي مطالعه شده است. در این راستا، غشاهای گرافنیلن برای جداسازی مخلوط دوجزئی هلیوم/متان انتخاب شد. برای این منظور، دو نوع حفره عامل‌دار شده با هیدروژن و هیدروکسیل و همچنین فلوئور و هیدروکسیل بر روی غشای گرافنیلن طبیعی ایجاد شد تا تاثیر اندازه حفرات و گروه‌های عاملی بررسی شود. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در دمای اتاق و تحت اعمال فشار خارجی تا 1 مگاپاسکال بر روی سیستم انجام شد. نتایج نشان داد که مولکول‌های متان تحت شرایط مورد مطالعه نمی‌توانند از میان غشاهای گرافنیلن عبور کنند، درحالیکه مولکول‌های هلیوم به سادگی از میان آن نفوذ می‌کنند که این امر، گزینش‌پذیری کامل هلیوم را تایید می‌کند. حداکثر نفوذ هلیوم در حدود GPU 107×1 از میان غشای گرافنیلن اصلاح شده با گروه عاملی فلوئور و هیدروکسیل به دست آمد که بسیار بالاتر از غشای گرافنیلن است. بررسی مکانیسم نفوذ نشان داد که اگرچه مولکول‌های متان به دلیل برهمکنش‌های واندروالسی قوی‌تر با سطح غشا، روی آن جذب می‌شوند، اما در نزدیکی غشا با سد انرژی بالاتری در مقایسه با مولکول‌های هلیوم روبرو می‌شوند. در ادامه، غشای کربن‌نیترید برای جداسازی مخلوط گازی کربن‌دی‌اکسید/متان استفاده شد و مکانیسم نفوذ مولکول‌های گازی مورد بررسی قرار گرفت. شبیه‌سازی‌ سیستم در دمای اتاق و تحت اعمال فشار خارجی تا 2 مگاپاسکال اجرا شد. بالاترین نفوذ کربن‌دی‌اکسید برابر با GPU 106×32/1 در غیاب فشار خارجی حاصل شد. نتایج نشان داد که مولکول‌های کربن‌دی‌اکسید می‌توانند از میان غشا منتقل شوند، درحالیکه هیچ مولکول متانی در سمت نفوذ مشاهده نشد. درنتیجه، گزینش‌پذیری کربن‌دی‌اکسید به متان برابر بی‌نهایت بدست آمد. بررسی مکانیسم نفوذ گاز نشان داد که جذب ترجیحی کربن‌دی‌اکسید به سطح غشا و اندازه مناسب این مولکول به دلیل بازآرایی آن از پیکربندی موازی به عمودی در مقابل نانوحفرات غشا، دو عامل مهم برای جداسازی موثر کربن‌دی‌اکسید و متان می‌باشد. توسعه فناوری‌های جدید کارامد برای بازیابی هلیوم از گاز طبیعی ضروری است. لذا در بخش آخر این پژوهش، یک سیستم غشایی دوگانه جدید شامل غشای کربن‌نیترید و گرافدین پیشنهاد شد تا عملکرد آن در جداسازی مخلوط سه‌جزئی هلیوم/نیتروژن/متان مورد بررسی قرار گیرد. در این راستا، شبیه‌سازی‌ در دمای اتاق و تحت اعمال فشار خارجی تا 2 مگاپاسکال انجام گردید. نتایج نشان داد که غشای اول به مولکول‌های هلیوم و نیتروژن اجازه نفوذ می‌دهد اما از عبور مولکول‌های متان جلوگیری می‌کند. در ادامه، غشای دوم فقط به مولکول‌های هلیوم اجازه عبور می‌دهد و مولکول‌های نیتروژن پشت غشا می‌مانند. در نتیجه، سیستم غشایی دوگانه نفوذ بالای GPU 106×5/2 و گزینش‌پذیری بی‌نهایت را برای هلیوم نشان داد. بعلاوه، سیستم پیشنهادی توانست سه جزء مخلوط گازی را به طور همزمان تحت فشار اعمال شده 2 مگاپاسکال از هم جدا کند که دلالت بر عملکرد عالی این سیستم دارد. به طور کلی، نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های انجام شده نشان داد که غشاهای نانوساختار با تحقق همزمان دستیابی به نفوذ و گزینش‌پذیری بالا می‌توانند به راحتی بر حد بالایی نمودار رابسون غلبه کرده و برای استفاده در جداسازی گازها نویدبخش باشند.

متن يادداشت

In the present study, the gas separation performance of nanostructured membranes has been studied using the molecular dynamics (MD) simulation method. In this regard, graphenylene membranes were selected for the separation of helium/methane binary mixture. For this purpose, two types of functionalized nanopore with hydrogen and hydroxyl as well as fluorine and hydroxyl were prepared on pristine graphenylene membrane to investigate the effect of pore size and functional groups. The MD simulation was performed at room temperature and under external pressure up to 1 MPa. The results indicated that methane molecules cannot pass through the graphenylene membranes under applied conditions, while helium molecules simply penetrate through, which confirms the ultrahigh selectivity of helium over methane molecules. The maximum helium permeance of about 1×107 GPU was obtained through the modified graphenylene membrane with fluorine and hydroxyl group, which is much higher than graphenylene membrane. Investigation of the permeation mechanism showed that although methane molecules are adsorbed on the membrane surface due to stronger vdW interactions with it, face higher energy barrier near the membrane. In the following, pristine carbon nitride (C2N) membrane was used to study the separation of carbon dioxide/methane gas mixture and the permeation mechanism of gas molecules. The MD simulation was carried out at room temperature and under external pressure up to 2 MPa. The highest carbon dioxide permeance of 1.32×106 GPU in the absence of applied external pressure was achieved. It is found that carbon dioxide molecules can easily diffuse through the membrane, while no methane molecule was seen on the permeate side. Thus, an ultrahigh selectivity of carbon dioxide over methane was achieved. The investigation of the gas permeation mechanism revealed that the preferential adsorption of carbon dioxide and suitable size of this molecule owing to proper orientation from parallel to vertical configuration in front of the nanopores of C2N, are two important factors for efficient separation of carbon dioxide and methane. It is essential to develop new efficient technologies to recover helium from natural gas. Therefore, in the last part of this research, a novel dual membrane system, consisting of C2N (M1) and graphdiyne (M2) membranes, was proposed to study its performance in separation of helium/nitrogen/methane ternary gas mixture. In this regard, the MD simulation was conducted at room temperature and under external pressure up to 2 MPa. The simulation results revealed that the M1 membrane allows helium and nitrogen molecules to diffuse through and prevents methane molecules from crossing. Next, the M2 membrane only allows helium molecules to transfer through and nitrogen molecules stay behind the membrane. As a result, the dual membrane system showed a high helium permeance of 2.5×106 GPU and an ultrahigh helium selectivity. In addition, the suggested dual membrane system could separate three components simultaneously at the applied pressure of 2 MPa, which implies on the outstanding performance of the system. To this end, the results showed that the nanostructured membranes with high permeance and selectivity can easily overcome the Robeson’s upper bound and are promising separation membranes for industrial applications

عنوان گونه گون

Evaluation of two-dimensional membranes based on carbon nanostructures for gas separations using molecular simulation

عنصر شناسه اي

‏ پاکدل،

ساير عناصر نام

‏‏سیامک

کد نقش

تهیه کننده

عنصر شناسه اي

‏عرفان‌نیا،

عنصر شناسه اي

‏عظمت،

ساير عناصر نام

‏‏حمید

ساير عناصر نام

جعفر

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد مشاور

عنصر شناسه اي

‏تبریز