Investigating adsorption and diffusion of gas mixtures in zeolite-like nanoporous materials using computational techniques

Abstract

Yakın geçmişte yeni bir nanogözenekli malzeme grubu olan zeolit imidazolat yapılar (ZIF) sentezlendi. Ayarlanabilir gözenek boyutu, büyük yüzey alanı, yüksek gözenek hacmi, ısıl ve mekanik dayanıklılık gibi özellikler bu malzemelerin gaz ayırma uygulamalarında gelecek vadeden malzemeler olabileceğini göstermektedir. Literatürde rapor edilmiş yüzlerce değişik ZIF çeşidi bulunmasına rağmen, membran bazlı gaz ayırma işlemleri için çalışılmış ZIF sayısı çok sınırlıdır. Bu tez çalışmasında, on üç farklı ZIF malzemesinin CH4/H2, CO2/CH4 ve CO2/H2 karışımlarını adsorpsiyon ve membran bazlı ayırma performansları detaylı atomik hesaplamalar kullanılarak tahmin edilmiştir. Adsorpsiyon seçiciliği, çalışma kapasitesi, membrane seçiçiliği ve gaz geçirgenliği her malzeme için tahmin edilmiştir ve mevcut deneysel data ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar birkaç ZIF malzemesinin CH4/H2, CO2/CH4 ve CO2/H2 gaz ayırımlarında zeolitlerden daha iyi olduğunu göstermiştir. Tek gaz sistemi datası kullanarak ikili gaz sistemlerinin adsorpsiyon ve difüzyonunu tahmin edebilen karışım teorilerinin doğruluğu incelenmiştir. Son olarak, ZIF/polimer membranların H2/CO2 karışımlarındaki performansı araştırılmıştır. ZIFlerin polimerler içine dolgu parçacıkları olarak kullanılmasının polimer membranların seçiciliğini ve geçirgenliğini arttırdığı gözlemlenmiştir.

A new group of nanoporous materials, zeolite imidazolate frameworks (ZIFs), has been recently discovered. Their properties such as tunable pore sizes, large surface areas, high pore volumes, good thermal and mechanical stabilities made them promising materials for gas separation applications. Although there are hundreds of different ZIFs, performances of ZIFs in membrane-based gas separations were studied only for a few selected ZIFs. In this thesis, atomically detailed calculations were used to predict the performance of thirteen different ZIF materials both in adsorption-based and membrane-based separations of CH4/H2, CO2/CH4 and CO2/H2 mixtures. Adsorption-based selectivity, working capacity, membrane-based selectivity and gas permeability of ZIFs were predicted and compared with available experimental data. Results showed that several ZIFs can outperform traditional zeolite membranes in CH4/H2, CO2/CH4 and CO2/H2 separations. The accuracy of the mixing theories estimating mixture adsorption and diffusion based on single component data was also examined. Finally, performances of ZIF/polymer composite membranes were investigated for H2/CO2 mixture. It was observed that selectivity and permeability of polymer membranes can be improved by adding ZIFs as filler particles into polymer matrices.