การแพร่และการดูดซับของแก๊สผสมมีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์ในวัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ชนิด Zn(tbip)

Abstract

งานวิจัยนีใ้ช้วิธีการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุลเพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์การแพร่และพฤติกรรมการดูดซับของแก๊สผสมในสัดส่วนที่เท่ากันระหว่าง CH4 และ CO2 ในวัสดุโครงข่ายโลหะอินทรีย์ชนิด Zn(tbip) ที่มีลักษณะโครงสร้างภายในเป็นรูเปิด 1 มิติขนาด 4.5 อังสตรอม ผลการคำนวณโดยใช้แบบจำลองพบว่าที่ความเข้มข้นรวมของแก๊สน้อย ๆ ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของ CH4 (D s,1) มากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของCO2 (Ds,2)แต่ค่า D D s s ,1,2 ที่ความเข้มข้นรวมของแก๊ สมาก ๆ และเมื่อวิเคราะห์การกระจายของจุดศูนย์กลางมวลและฟังก์ชันกระจายเชิงรัศมี(RDF)ของโมเลกุลแก๊ สทั้งสองพบว่า CH4 ถูกดูดซับ ที่พื้นผิวของ Zn(tbip) ได้ดีกว่า CO2 และการดูดซับ CH4 ที่พื้นผิวเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มข้นรวมของแก๊สมากขึ้น ค่าการแพร่จำเพาะ(diff S)ซึ่งคำนวณจากความสัมพันธ์ ,1 ,2/ D D s s มีค่าอยู่ในช่วงระหว่าง 0.6 -1.5 และค่าการแพร่จำเพาะที่คำนวณได้นี้ แตกต่างจากค่า Knudsen selectivity (diff Kn, S) ที่หาจากความสัมพันธ์ 2 1 M M/ เมื่อ M1 และ M2 คือมวลโมเลกุลของ CH4 และของ CO2 ตามลำดับและความแตกต่างระหว่างค่าทั้งสองมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเมื่อแรงของการดูดซับของCH4 กับพื้นผิว มากขึ้นและมากกว่าของ CO2 นอกจากนี้จากค่า 1 diff S ที่ความเข้มข้นรวมของแก๊สน้อย ๆ และ 1 diff S ที่ความเข้มข้นรวมของแก๊สมาก ๆ แสดงว่า Zn(tbip) ใช้แยกแก๊สผสม CH4 /CO2 ได้Molecular dynamics (MD) simulations were performed to investigate the self-diffusivities and the adsorption behavior of CH4 and CO2 for their equimolar mixtures in Zn(tbip), which is a metal organic framework (MOF) that has one-dimensional 4.5 -sized channels. The MD simulations yield the CH4 self-diffusivities ( D s,1 ) are larger than the CO2 self-diffusivities ( D s,2 ) at low concentrations, but D D s s ,1 ,2 at high concentrations. Furthermore, analysis of center of mass distribution and radial distribution function (RDF) of guest molecules shows that CH4 is preferentially adsorbed at the surface of Zn(tbip) over CO2 , and the adsorption for CH4 more increases as the total concentration increases. The diffusion selectivities ( diff S ), defined by ,1 ,2 / D D s s , were calculated giving the values are in the rage of 0.6-1.5. And the calculated diff S is different from the Knudsen selectivity, , 2 1 / diff Kn S M M , where M1 and M2 are molar mass of CH4 and CO2 respectively, and the difference increased when CH4 has the higher adsorption strength over CO2 . In addition, the 1 diff S at low concentrations and 1 diff S at high concentrations show that Zn(tbip) can be used for separating CH4 /CO2 mixture.