High throughput screening of mof membranes and mof/polymer mixed matrix membranes: Best materials for flue gas separation

Membran-temelli gaz ayırımları için en iyi metal organik yapıları (MOF) seçmek önemli bir zorluk haline gelmeye başlamıştır, çünkü sentezlenmiş MOF sayısı olağanüstü bir şekilde artmaktadır. Bu tezde, membran-temelli baca gazı ayırımında membran olarak ya da karışık yataklı membran içerisinde (MMM) dolgu olarak kullanılacak en iyi MOF malzemelerini belirlemek için yüksek çıktılı hesaba dayalı moleküler benzetim yöntemleri kullanılmıştır. Tezin ilk kısmında karbondioksit (CO2) ve nitrojen (N2) gazının 3806 MOF'daki adsorpsiyon ve difüzyon özelliklerini değerlendirmek için Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) ve Moleküler Dinamik (MD) simülasyonları uygulanmıştır. Bu veri kullanılarak, MOF membranların gaz seçicilikleri ve geçirgenlikleri tahmin edilmiş ve bunlar geleneksel membranlar olan polimerler ve zeolitler ile kıyaslanmıştır. CO2/N2 seçiciliği için >350 ve CO2 geçirgenliği için >106 Barrer koşulunu sağlayan en yüksek performanslı MOF membranları belirlenmiştir. En iyi MOF'ların potansiyellerini göstermek için bu malzemeler üzerinde üçlü CO2/N2/H2O gaz karışımı simülasyonları uygulanmıştır. Sonuçlar su buharının varlığında hem CO2/N2 seçiciliğinin hem de CO2 geçirgenliğinin düştüğünü göstermektedir. Tezin ikinci kısmında, karışık yataklı membranlarda (MMM) destekleyici bir katman olarak MOF'ların performanslarını değerlendirmek amacıyla 7822 sentezlenmiş MOF'un CO2 ve N2gazlarının seçicilik ve geçirgenliği moleküler simülasyonlar aracılığıyla hesaplanmıştır. Bu veri daha sonrasında 14 farklı polimerin deneysel olarak raporlanan gaz geçirgenlikleri ile teorik bir model kullanılarak birleştirilmiştir. Bunun sonucunda 109508 farklı MOF-dolgulu MMM'nin CO2 geçirgenlikleri ve CO2/N2 seçicilikleri hesaplanmıştır. Oldukça geçirgen olan polimerlerin CO2/N2 ayırma performansını önemli bir şekilde geliştiren 50 en iyi MOF belirlenmiş ve onların pratik uygulama koşullarında ikili CO2/N2 karışımının ayırımındaki performansları incelenmiştir. Sonuçlar birçok metal organik yapının (MOF) baca gazı ayırımı için karışık yataklı membranlarda dolgu olarak kullanıldığı zaman hem gaz geçirgenliğini hem de seçiciliği önemli ölçüde geliştirdiğini gösterilmiştir. Bu çalışma ile, baca gazı ayırımında gelecekte deneysel çalışmalarda incelemek için saf membran olarak ya da MMM'lerde dolgu olarak kullanılabilecek MOF sayısı sayısı binlerden onlara indirilmiştir. Tez boyunca, MOF'ların hani özeliklerinin onları en iyi performansa götürdüğünü anlamak için MOF yapısı ve membran performansı arasındaki ilişki de ayrıca incelenmiştir.