مطالعه شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جداسازی انتخابی گاز CO2 از N2 به وسیله‌ی غشای گرافتریینی:‌ مدلی برای تصفیه گاز خروجی دودکش

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده شیمی- دانشگاه صنعتی شاهرود- شاهرود- ایران

2 گروه شیمی- دانشکده علوم- دانشگاه کردستان- سنندج- ایران

3 تهران- دانشگاه علم وصنعت- دانشکده شیمی- آزمایشگاه تحقیقاتی شبیه سازی مولکولی

چکیده

چکیده
در این کار توانایی جداسازی انتخابی گازهای CO2 از N2 با ترکیبی مشابه گاز دودکش به وسیله غشای سه لایه گرافتریینی با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی مطالعه گردید. برای این منظور، از دو مجموعه NPT و NVT استفاده شد. در مجموعه NPT ، مولکولهای گاز در دو طرف غشا و در مجموعه NVT ، مولکولهای گاز در یک طرف غشا قرار گرفتند. سپس، اثر دما و فشارهای مختلف در مجموعه NPT و اثر دما و فشارهای اولیه مختلف در مجموعه NVT، روی توانایی غشا برای جداسازی CO2 از N2 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد با وجودی که سایز حفره‎های گرافتریین به اندازه کافی برای عبور این مولکول‎ها بزرگ هستند اما در هر دو مجموعه، مولکول‎های CO2 بیشتر بین لایه‌های گرافتریین جذب شده-اند. همچنین مشخص شد با افزایش دما جذب مولکول‎های N2 نسبت به CO2 کاهش بیشتری یافته، در نتیجه انتخاب‌پذیری جذب CO2 نسبت به N2 افزایش می‎یابد. با افزایش فشار، اگرچه درصد عبور مولکول‎های CO2 به دام افتاده از بین لایه‌ها افزایش می‌یابد اما کماکان غشا، انتخاب‌پذیری جذب CO2 نسبت به N2 را حفظ می‌کند. بنابراین، می‌توان غشای سه لایه‌ی گرافتریینی را برای جذب و جداسازی CO2 از N2 بسیار مناسب و کارآمد معرفی کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Molecular dynamic simulation study of selective separation of CO2 from N2 by graphtriyne membrane: A model for flue gas purification

نویسندگان [English]

  • Zahra Kalantar 1
  • Yosra Delshad 2
  • Seyed Majid Hashemianzadeh 3
1 Faculty of Chemistry, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 Department of Chemistry, Faculty of Science,, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
3 3Molecular Simulation Research Laboratory, Department of Chemistry, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this work, the ability to selectively separate CO2 from N2 with a similar composition of flue gas by graphtriyne three-layer membrane was studied using molecular dynamics simulation. For this purpose, two sets of NVT and NPT ensembles were used. In the NPT ensemble, gas molecules were located on either side of the membrane and in the NVT ensemble, gas molecules were located on one side of the membrane. Then the effect of different temperatures and pressures in NPT ensemble and the effect of different temperatures and initial pressures in NVT ensemble on the membrane's ability to separate CO2 from N2 were investigated. The results showed that although the size of the graphtriyne pores were large enough for these molecules to pass through, in both ensembles, more CO2 molecules were adsorbed between the graphtriyne layers. It was also found that with increasing the temperature, the adsorption of N2 molecules decreased more than CO2 molecules, thus increasing the selectivity of CO2 uptake compared to N2 between graphtriyne layers. As the pressure increases, although the percentage of trapped CO2 molecules passing through the layers increases, the membrane still retains the selectivity of CO2 uptake relative to N2. Therefore, graphtriyne three-layer membrane can be introduced as very suitable and efficient for separation of CO2 from N2.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Graphtriyne
  • Molecular dynamics simulation
  • CO2 Separation

مراجع

[1] P.J. Reddy, Clean coal technologies for power generation: CRC Press (2013)
[2] T. Wilberforce, A. Olabi, E.T. Sayed, K. Elsaid, and M.A. Abdelkareem, Sci. Total Environ. (2020) 143203.
[3] S. Ghosh, M. Sevilla, A.B. Fuertes, E. Andreoli, J. Ho, and A.R. Barron, J. Mater. Chem. A 4(38) (2016) 14739.
[4] A. Modak and S. Jana, Micropor. Mesopor. Mat. 276 (2019) 107.
[5] S. Wuttke, Introduction to Reticular Chemistry. Metal–Organic Frameworks and Covalent Organic Frameworks By Omar M. Yaghi, Markus J. Kalmutzki, and Christian S. Diercks. (2019), Wiley Online Library.
[6] L.C. Lin, J. Kim, X. Kong, E. Scott, T.M. McDonald, J.R. Long, J.A. Reimer, and B. Smit, Angew. Chem. 125(16) (2013) 4506.
[7] N. Huang, G. Day, X. Yang, H. Drake, and H.-C. Zhou, Sci. China Chem. 60(8) (2017) 1007.
[8] Z. Xiang, R. Mercado, J.M. Huck, H. Wang, Z. Guo, W. Wang, D. Cao, M. Haranczyk, and B. Smit, J. Am. Chem. Soc. 137(41) (2015) 13301.
[9] J. Schrier, ACS Appl. Mater. Inter. 4(7) (2012) 3745.
[10] H. Du, J. Li, J. Zhang, G. Su, X. Li, and Y. Zhao, J. Phys. Chem. C 115(47) (2011) 23261.
[11] H. Liu, S. Dai, and D.-e. Jiang, Nanoscale 5(20) (2013) 9984.
[12] Z. Meng, X. Zhang, Y. Zhang, H. Gao, Y. Wang, Q. Shi, D. Rao, Y. Liu, K. Deng, and R. Lu, ACS Appl. Mater. Inter. 8(41) (2016) 28166.
[13] Y. Tao, Q. Xue, Z. Liu, M. Shan, C. Ling, T. Wu, and X. Li, ACS Appl. Mater. Inter. 6(11) (2014) 8048.
[14] A. Ali, R. Pothu, S.H. Siyal, S. Phulpoto, M. Sajjad, and K.H. Thebo, Mater. Sci. Energy Technol. 2(1) (2019) 83.
[15] Z. Negaresh and M. Fazli, J. Appl. Chem. 17(63) (2021) 23, in Persian.
[16] N. Nidamanuri, Y. Li, Q. Li, and M. Dong, Eng. Sci. 9(7) (2020) 3.
[17] M. Bartolomei and G. Giorgi, ACS Appl. Mater. Inter. 8(41) (2016) 27996.
[18] Y.B. Apriliyanto, N. Faginas Lago, A. Lombardi, S. Evangelisti, M. Bartolomei, T. Leininger, and F. Pirani, J. Phys. Chem. C 122(28) (2018) 16195.
[19] M. Bartolomei, E. Carmona-Novillo, and G. Giorgi, Carbon 95 (2015) 1076.
[20] R. Baughman, H. Eckhardt, and M. Kertesz, J. Chem. Phys. 87(11) (1987) 6687.
[21] J. Hou, Z. Yin, Y. Zhang, and T. Chang, J. Appl. Mech. 82(9) (2015) 94501.
[22] G. Li, Y. Li, H. Liu, Y. Guo, Y. Li, and D. Zhu, Chem. Commun. 46(19) (2010) 3256.
[23] N. Narita, S. Nagai, S. Suzuki, and K. Nakao, Phys. Rev. B 58(16) (1998) 11009.
[24] M. Bartolomei, E. Carmona-Novillo, M.I. Hernández, J. Campos-Martínez, F. Pirani, and G. Giorgi, J. Phys. Chem. C 118(51) (2014) 29966.
[25] S.W. Cranford and M.J. Buehler, Nanoscale 4(15) (2012) 4587.
[26] L. Fang and Z. Cao, J. Phys. Chem. C 124(4) (2020) 2712.
[27] Y. Jiao, A. Du, M. Hankel, V. Rudolph, and S.C. Smith, Chem. Commun. 47(43) (2011) 11843.
[28] K. Xu, N. Liao, M. Zhang, and W. Xue, Int. J. Hydrogen Energ. 45(53) (2020) 28893.
[29] L. Zhao, P. Sang, S. Guo, X. Liu, J. Li, H. Zhu, and W. Guo, Appl. Surf. Sci. 405 (2017) 455.
[30] X. Zheng, B. Liu, and G. Chen, Mol. Simulat. 47 (2021) 1.
[31] K. Azizi, S.M.V. Allaei, A. Fathizadeh, A. Sadeghi, and M. Sahimi, Sci. Rep. UK, 11 (2021) 16325.
[32] M. Bartolomei, E. Carmona-Novillo, M.I. Hernández, J. Campos-Martínez, F. Pirani, G. Giorgi, and K. Yamashita, J. Phys. Chem. Let. 5(4) (2014) 751.
[33] J. Jiang and S.I. Sandler, J. Am. Chem. Soc. 127(34) (2005) 11989.
[34] A. Khorsandi-Langol and S.M. Hashemianzadeh, J. Phys. Chem. C 123(25) (2019) 15523.
[35] S. Plimpton, J. Comput. Phys. 117(1) (1995) 1.
[36] P. Dauber‐Osguthorpe, V.A. Roberts, D.J. Osguthorpe, J. Wolff, M. Genest, and A.T. Hagler, PROTEINS 4(1) (1988) 31.
[37] C. Murthy, K. Singer, M. L. Klein and I. R. McDonald, Mol. Phys. 41 (6) (1980) 1387.
شیمى کاربردى روز
دوره 17، شماره 64
مهر 1401
صفحه 9-26

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار