Selective Removal of Sulfur Dioxide from Oxygen Using Porous Iron: A Molecular Dynamics Study

Document Type : Original Article

Authors
1 Researcher, Institute of Liquefied Natural Gas (I-LNG), School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 M.Sc. Student, Institute of Liquefied Natural Gas (I-LNG), School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Professor, Institute of Liquefied Natural Gas (I-LNG), School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
4 Ph.D., Department of Physics and Energy Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
20.1001.1/jgt.2025.2072087.1061
Abstract
Sulfur dioxide (SO₂) is a toxic pollutant generated primarily by the combustion of sulfur-containing fossil fuels, and its removal is crucial for sustainable industrial development. In this computational study, molecular dynamics (MD) simulations were employed to evaluate a porous iron membrane for separating oxygen from a SO₂ gas stream. The Fe membrane was modeled with the Embedded Atom Method (EAM), while the O₂–SO₂ mixture was described using the DREIDING force field. Equilibration confirmed the structural stability of the atomic models, reflecting appropriate MD settings and carefully chosen initial conditions. To characterize separation performance, we report SO₂ and O₂ sorption coefficients, gas–membrane interaction energies, and the membrane’s post-separation mechanical properties. The simulations further show that the initial conditions (e.g., temperature and pressure) govern the perm-selective behavior of the porous iron membrane throughout the simulation campaign. Under optimized conditions, the membrane achieved an O₂ purity of ~81% and an O₂ recovery of 96.7% in the designed atomic-scale purification system. This performance arises from optimum interaction between the porous iron membrane and target gas molecules. Numerically, the magnitude of the interaction energy between these modeled samples increased to -83.14 eV. This described procedure did not disturb the mechanical performance of the designed porous membrane, and the ultimate strength and Young’s modulus of them reached 212.39 MPa and 6.00 GPa (respectively) after the gas molecules selective removal process was fulfilled.

Keywords

Subjects


Article Title Persian

حذف انتخابی SO2 از اکسیژن با استفاده از آهن متخلخل: مطالعه دینامیک مولکولی

Authors Persian

مصطفی جعفری 1
محمدمهدی یوسفی 2
علی وطنی 3
روزبه ثابت وند 4
1 پژوهشگر، انستیتو گاز طبیعی مایع‌، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، انستیتو گاز طبیعی مایع‌، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
3 پروفسور، انستیتو گاز طبیعی مایع (I-LNG)، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
4 دکتری، دانشکده مهندسی انرژی و فیزیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
Abstract Persian

دی‌اکسید گوگرد آلاینده‌ای سمی است که عمدتاً از احتراق سوخت‌های فسیلیِ گوگرددار پدید می‌آید و حذف آن برای توسعه صنعتی پایدار ضروری است. در این مطالعه محاسباتی، از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی (MD) برای ارزیابی غشای آهن متخلخل در جداسازی اکسیژن از جریان گاز SO₂ استفاده شد. غشای آهن (Fe) با مدل اتم نهفته (EAM) و مخلوط O₂–SO₂ با میدان نیروی DREIDING توصیف گردید. فرایند تعادل‌سازی، پایداری ساختاری مدل‌های اتمی را تأیید کرد که نشان‌دهنده تنظیمات مناسب MD و انتخاب دقیق شرایط اولیه بود. برای توصیف کارایی جداسازی، ضرایب سورپشن (جذب) SO₂ و O₂، انرژی‌های برهم‌کنش گاز–غشا، و همچنین خواص مکانیکی غشاء پس از جداسازی گزارش شده است. شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان می‌دهند که شرایط اولیه (برای نمونه دما و فشار) رفتار گزینش‌پذیری نفوذ (permselective) غشای آهن متخلخل را در سراسر کارزار شبیه‌سازی کنترل می‌کند. در شرایط بهینه، این غشا در سامانه پالایش اتم‌مقیاس طراحی‌شده، به خلوص اکسیژن ۸۱% و بازیابی اکسیژن ۹۶٫۷% دست یافت.

Keywords Persian

شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
پالایش گاز
فناوری غشاء
جداسازی SO2
غشای آهن متخلخل

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 07 November 2025