بررسی جذب متان در چارچوب‌های فلزی-آلی MIL با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان
سامان بنی جمالی 1
هدایت عزیزپور 2
پریسا خدیوپارسی 3
1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران ، تهران، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی شیمی، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
3 استادیار، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران ، تهران، ایران
20.1001.1/jgt.2024.2015403.1030
چکیده
در این مطالعه، خواص جذب سه چارچوب فلز-آلی MIL-101 (Cr)، MIL-100 (Fe) و MIL-100 (Al) - برای ذخیره‌سازی متان با فشار بالا در گاز طبیعی جذب شده بررسی شد. با استفاده از نرم‌افزار Materials Studio و شبیه‌سازی مونت‌کارلو، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تحت‌فشار ثابت ۳۵ اتمسفر و دمای ۳۰۰ کلوین انجام شد. میزان جذب به ترتیب ۰.۰۰۸، ۰.۰۸۹ و ۰.۰۳۵ گرم متان در هر گرم جاذب برای MIL-101 (Cr)، MIL-100 (Fe) و MIL-100 (Al) گزارش شد. برای تأیید یافته‌ها، ظرفیت جذب محاسبه‌شده MIL-101 (Cr) با داده‌های تجربی مقایسه شد که تطابق نزدیک با مقدار گزارش شده ۰.۰۳۶ گرم متان در هر گرم جاذب نتیجه شد. شبیه‌سازی‌ها همچنین بینش‌هایی را در مورد الگوهای جذب آشکار کردند و نشان دادند که مولکول‌های متان به‌طور انتخابی با مناطق مختلف چارچوب‌ها بر اساس جهت‌گیری‌شان برهمکنش دارند. این مطالعه نشان می‌دهد که MOFها به‌عنوان جاذب‌های مناسب برای ذخیره‌سازی گاز طبیعی در فناوری‌های ANG نوید دارند. در میان سه MOF مورد مطالعه، MIL-100 (Al) به‌عنوان کارآمدترین گزینه ظاهر شد که با توجه به ملاحظات اقتصادی و تولیدی، پتانسیل را برای پیاده‌سازی در مقیاس صنعتی آینده ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

  1. Alhasan, S., R. Carriveau and D.-K. Ting (2016). "A review of adsorbed natural gas storage technologies." International Journal of Environmental Studies 73(3): 343-356. https://doi.org/10.1080/00207233.2016.1165476
  2. Bhattacharjee, G., H. P. Veluswamy, R. Kumar and P. Linga (2020). "Rapid methane storage via sII hydrates at ambient temperature." Applied Energy 269: 115142. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115142
  3. Bimbo, N., J. P. Smith, H. Aggarwal, A. J. Physick, A. Pugsley, L. J. Barbour, V. P. Ting and T. J. Mays (2021). "Kinetics and enthalpies of methane adsorption in microporous materials AX-21, MIL-101 (Cr) and TE7." Chemical Engineering Research and Design 169: 153-164. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.03.003
  4. Busch, A., Y. Gensterblum, B. M. Krooss and R. Littke (2004). "Methane and carbon dioxide adsorption–diffusion experiments on coal: upscaling and modeling." International Journal of Coal Geology 60(2-4): 151-168.  https://doi.org/10.1016/j.coal.2004.05.002
  5. Cai, Y., H. Chen, P. Liu, J. Chen, H. Xu, T. Alshahrani, L. Li, B. Chen and J. Gao (2023). "Robust microporous hydrogen− bonded organic framework for highly selective purification of methane from natural gas." Microporous and Mesoporous Materials 352: 112495. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2023.112495
  6. Ceglarska-Stefańska, G. and K. Zarębska (2002). "The competitive sorption of CO2 and CH4 with regard to the release of methane from coal." Fuel Processing Technology 77: 423-429. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(02)00093-0
  7. Dang, W., J. Zhang, H. Nie, F. Wang, X. Tang, N. Wu, Q. Chen, X. Wei and R. Wang (2020). "Isotherms, thermodynamics and kinetics of methane-shale adsorption pair under supercritical condition: Implications for understanding the nature of shale gas adsorption process." Chemical Engineering Journal 383: 123191. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123191
  8. Davarpanah, A. and B. Mirshekari (2019). "Experimental investigation and mathematical modeling of gas diffusivity by carbon dioxide and methane kinetic adsorption." Industrial & Engineering Chemistry Research 58(27): 12392-12400. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b01920
  9. Frenkel, D. and B. Smit (2023). Understanding molecular simulation: from algorithms to applications, Elsevier.0323913180,
  10. Furukawa, H. and O. M. Yaghi (2009). "Storage of hydrogen, methane, and carbon dioxide in highly porous covalent organic frameworks for clean energy applications." Journal of the American Chemical Society 131(25): 8875-8883. https://doi.org/10.1021/ja9015765
  11. Gao, Z., D. Ma, Y. Chen, C. Zheng and J. Teng (2020). "Study for the effect of temperature on methane desorption based on thermodynamics and kinetics." ACS omega 6(1): 702-714. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c05236
  12. He, Z., K. Zhang and J. Jiang (2019). "Formation of CH4 hydrate in a mesoporous metal–organic framework MIL-101: Mechanistic insights from microsecond molecular dynamics simulations." The journal of physical chemistry letters 10(22): 7002-7008. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b02808
  13. Mahmoud, E., L. Ali, A. El Sayah, S. A. Alkhatib, H. Abdulsalam, M. Juma and A. a. H. Al-Muhtaseb (2019). "Implementing metal-organic frameworks for natural gas storage." Crystals 9(8): 406. https://doi.org/10.3390/cryst9080406
  14. Mergenthal, M., A. Tawai, S. Amornraksa, S. Roddecha and S. Chuetor (2023). "Methane enrichment for biogas purification using pressure swing adsorption techniques." Materials Today: Proceedings 72: 2915-2920. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.08.003
  15. Miana, M., R. Del Hoyo, V. Rodrigálvarez, J. R. Valdés and R. Llorens (2010). "Calculation models for prediction of Liquefied Natural Gas (LNG) ageing during ship transportation." Applied Energy 87(5): 1687-1700. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.10.023
  16. Mokhatab, S., W. A. Poe and J. Mak (2015). "Chapter 1-natural gas fundamentals." Handbook of Natural Gas Transmission and Processing, 3rd ed.; Gulf Professional Publishing: Boston, MA, USA: 1-36. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801499-8.00001-8.
  17. Moradi, H., H. Azizpour, H. Bahmanyar and M. Emamian (2022). "Molecular dynamic simulation of carbon dioxide, methane, and nitrogen adsorption on Faujasite zeolite." Chinese Journal of Chemical Engineering 43: 70-76. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2021.05.034
  18. Moradi, H., H. Azizpour, H. Bahmanyar, N. Rezamandi and P. Zahedi (2021). "Effect of Si/Al ratio in the faujasite structure on adsorption of methane and nitrogen: a molecular dynamics study." Chemical Engineering & Technology 44(7): 1221-1226. https://doi.org/10.1002/ceat.202000356
  19. Nikravesh, N. Y., M. Beygzadeh and M. Adl (2023). "Microporous MOF-5@ AC and Cu-BDC@ AC Composite Materials for Methane Storage in ANG Technology." International Journal of Energy Research 2023. https://doi.org/10.1155/2023/2282746
  20. Pérez-Botella, E., S. Valencia and F. Rey (2022). "Zeolites in adsorption processes: State of the art and future prospects." Chemical Reviews 122(24): 17647-17695. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00140
  21. Rasoulzadeh, M., S. Fatemi, H. M. GHOLAM and M. Mousavian (2008). "Study of methane storage and adsorption equilibria in multi-walled carbon nanotubes. "https://doi.org/10.30492/ijcce.2008.6977
  22. Reza, M. S., C. S. Yun, S. Afroze, N. Radenahmad, M. S. A. Bakar, R. Saidur, J. Taweekun and A. K. Azad (2020). "Preparation of activated carbon from biomass and its’ applications in water and gas purification, a review." Arab Journal of Basic and Applied Sciences 27(1): 208-238. https://doi.org/10.1080/25765299.2020.1766799
  23. Shankar, U., R. Gogoi, S. K. Sethi and A. Verma (2022). Introduction to Materials Studio Software for the Atomistic-Scale Simulations. Forcefields for Atomistic-Scale Simulations: Materials and Applications, Springer: 299-313,
  24. Sun, H. (1998). "COMPASS:  An ab Initio Force-Field Optimized for Condensed-Phase ApplicationsOverview with Details on Alkane and Benzene Compounds." The Journal of Physical Chemistry B 102(38): 7338-7364.10.1021/jp980939v
  25. Tagliabue, M., D. Farrusseng, S. Valencia, S. Aguado, U. Ravon, C. Rizzo, A. Corma and C. Mirodatos (2009). "Natural gas treating by selective adsorption: Material science and chemical engineering interplay." Chemical Engineering Journal 155(3): 553-566. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.09.010
  26. Teo, H. W. B., A. Chakraborty and S. Kayal (2017). "Evaluation of CH4 and CO2 adsorption on HKUST-1 and MIL-101 (Cr) MOFs employing Monte Carlo simulation and comparison with experimental data." Applied Thermal Engineering 110: 891-900. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.126
  27. Ursueguia, D., E. Diaz and S. Ordonez (2020). "Adsorption of methane and nitrogen on Basolite MOFs: Equilibrium and kinetic studies." Microporous and Mesoporous Materials 298: 110048. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110048
  28. Wang, Q. (2022). Surface Process, Transportation, and Storage, Elsevier.0128242086,
  29. Wu, X., Z. Cao, X. Lu and W. Cai (2023). "Prediction of methane adsorption isotherms in metal–organic frameworks by neural network synergistic with classical density functional theory." Chemical Engineering Journal 459: 141612 .https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141612
  30. Wu, Z., V. Wee, X. Ma and D. Zhao (2021). "Adsorbed natural gas storage for onboard applications." Advanced Sustainable Systems 5(4): 2000200. https://doi.org/10.1002/adsu.202000200
  31. Zhang, G., Z. Liu, Y. Kong and F. Wang (2023a). "Hydrate-based adsorption-hydration hybrid approach enhances methane storage in wet MIL-101 (Cr)@ AC under mild condition." Chemical Engineering Journal 472: 145068. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145068
  32. Zhang, Q., X. Lian, R. Krishna, S.-Q. Yang and T.-L. Hu (2023b). "An ultramicroporous metal-organic framework based on octahedral-like cages showing high-selective methane purification from a six-component C1/C2/C3 hydrocarbons mixture." Separation and Purification Technology 304: 122312 .https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122312
  33.  Zhao, G., Q. Zheng, X. Zhang and W. Zhang (2020). "Adsorption equilibrium and the effect of honeycomb heat exchanging device on charge/discharge characteristic of methane on MIL-101 (Cr) and activated carbon." Chinese Journal of Chemical Engineering 28(7): 1964-1972. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.04.021
  34. Zhu, X. and Y.-P. Zhao (2014). "Atomic mechanisms and equation of state of methane adsorption in carbon nanopores." The Journal of Physical Chemistry C 118(31): 17737-17744. https://doi.org/10.1021/jp5047003