Separation performance of MOF adsorbents and membranes: Effect of charge equilibration methods

Metal organik-yapılar (MOF) geniş ve çok sayıdaki gözenekleri ve geniş yüzey alanları sayesinde geleneksel membran ve adsorban malzemelere güçlü bir alternatiftir. Potansiyel helyum (He) kıtlığı, bu gazın doğal kaynaklardan elde edilebilmesini ve dolayısıyla da bu ayrımı başarabilecek yüksek verimli teknolojilerin geliştirilmesini önemli kılmıştır. Bu tezin ilk bölümünde, literatürde bir ilk olarak, çeşitli MOF membranlarının He/CH4 ayrımındaki performansları hesaplamalı olarak çalışılmıştır. Moleküler simülasyonlardan elde edilen He geçirgenliği, deneylerle ölçülmüş olan geçirgenlikler ile karşılaştırılmıştır. Deneyler ve simülasyonlar arasındaki uyuma dayanarak 139 tane MOF membranı He/CH4 gaz ayrımı için incelenmiş ve en çok tercih edilen polimer ve zeolit yapıdaki membranlar ile karşılaştırılmıştır. Yüksek gaz seçicilikleri ve geçirgenlikleri sayesinde önemli sayıda MOF membranının Robeson üst sınırını geçtiği görülmüştür. Bunların yanısıra, tek tip gaz ve ikili gaz karışımları için moleküler simülasyonlar yaparak MOF membranlarının ideal ve karışım gaz seçicilikleri de karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, tek tip gaz kullanılarak hesaplanan seçiciliklerin ve geçirgenliklerin, karışım kullanılarak hesaplananları önemli ölçüde yüksek tahmin edebildiklerini göstermiştir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, He/CH4 gaz ayrımını en verimli şekilde gerçekleştirebilecek olan MOF membranlarını belirlemede, deneyleri yönlendirici niteliktedir. Bu tezin ikinci kısmında, MOF adsorbanlarının CO2/N2 ve CO2/CH4 ayrımlarındaki başarı sıralamalarının farklı yük dengeleme metotlarından (IQEq ve QEq metotları) nasıl etkilendiği 2244 tane deneysel MOF kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, CO2 gazının, yüksek kuadrupol momentinden dolayı yük atama metotlarına daha hassas olduğunu göstermiştir. IQEq metodunun, QEq metoduyla hesaplanmış olan seçicilik ve APS değerlerini daha yüksek tahmin etme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. IQEq ve QEq metotları baz alınarak her adsorbsiyon değerlendirme metriği için MOFlar sıralanmış ve ikişer liste oluşturulmuştur. İkili sıralamalar arasındaki benzerliği gösteren korelasyon katsayıları IQEq ve QEq için 0.73-0.84 aralığında hesaplanmıştır ve bu aralık iyi bir benzerliğe işaret etmektedir. Yüksek korelasyon katsayıları, yüksek çıktılı MOF taramalarında, DDEC metodunu uygulamadan önce MOF listesini IQEq kullanarak daraltmanın iyi bir strateji olabileceğini işaret etmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, MOFların, kuadrupol moleküllerin ayrımında adsorban olarak yüksek çıktılı ve hesaplamalı olarak taranmasına rehberdir.