شماره ركورد
26039
شماره راهنما
CHE2 953
عنوان
بررسي گيراندازي CO2 توسط حلال يوتكتيك عميق اتالين، يك چارچوب آلي كووالانسي LZU-192 و كامپوزيت آنها به روش شبيهسازي ديناميك مولكولي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
شيمي - شيمي فيزيك
دانشكده
شيمي
تاريخ دفاع
1404/04/19
صفحه شمار
166 ص .
استاد راهنما
ناهيد فرضي
كليدواژه فارسي
چارچوب آلي كووالانسيCOF-LZU-192 , حلال يوتكتيك عميق اتالين , كامپوزيت , شبيهسازي ديناميك مولكولي
چكيده فارسي
با افزايش غلظت دياكسيد كربن (CO₂) در جو و اثرات مخرب آن مانند گرمايش جهان، اسيدي شدن اقيانوسها و تغييرات شديد اقليمي، توسعه جاذبهاي كارآمد و پايدار براي حذف CO₂ اهميت بسياري يافته است. در اين راستا، چارچوبهاي آلي كووالانسي (COF) با ظرفيت جذب بالا، سطح مقطع ويژه زياد و گروههاي فعال شيميايي مانند نيتروژن و اكسيژن و حلالهاي يوتكتيك عميق (DES) مانند اتالين با زيستسازگاري، هزينه پايين، گرانروي مناسب و توانايي بالاي حلپذيري گازها، بهعنوان جاذبهاي نوين مورد توجه قرار گرفتهاند. تركيب اين دو ماده در قالب كامپوزيت، علاوه بر بهرهمندي از مزاياي هر يك، محدوديتهاي جاذبهاي منفرد را كاهش ميدهد؛ از جمله ظرفيت جذب بالاتر، گزينشپذيري بهبود يافته، انتقال جرم بهتر، و پايداري بالاتر در شرايط عملياتي مختلف.
اين پژوهش با هدف بررسي ظرفيت جذب CO₂ توسط حلال اتالين، COF-LZU-192 و كامپوزيت حاصل از اتالين همراهCOF ، به تحليل اثر دما و غلظت پرداخت. در مرحله نخست، سامانه اتالين وCO₂ در چهار دما (278، 298، 318 و 338 كلوين) و دو (156 و 312 مولكول) از CO₂ بررسي شد. مرحله دوم شامل تحليل چارچوب آلي كووالانسي COF-LZU با CO₂ در همان شرايط بود. در مرحله سوم، كامپوزيت COF-LZU-192 و اتالين در سه غلظت متفاوت از اتالين (216، 108 و 56 مولكول اتالين) ايجاد شد تا اتالين با چارچوب كامپوزيت تشكيل دهد. در مرحله چهارم،CO₂ در دو غلظت متفاوت به سامانههاي كامپوزيتي اضافه شد تا تأثير غلظت و شرايط عملياتي بر ظرفيت جذب CO₂ تحليل شود.
تمام شبيهسازيها با روش ديناميك مولكولي در نرمافزار لمپس انجام شد كه از ميدان نيروي GAFF براي اتالين وCOF-LZU-192 و از ميدان نيروي TraPPE براي دياكسيد كربن استفادهشد. اعتبارسنجي ميدان نيرو براي اتالين و CO₂ با اعمال مجموعه آماري NPT صورت گرفت و چگالي تجربي براي اتالين و دياكسيد كربن به دست آمد. ساير شبيهسازيها با اعمال مجموعه آماري NVT انجام شد. پس از پايان شبيهسازي براي تحليل نتايج شاخصهايي مانند متوسط مربع جابهجايي (MSD) و نفوذ، تابع توزيع شعاعي (RDF) و پروفايل دانسيته استخراج شدند تا روند جذب و توزيع CO₂ در هر سامانه و تحت شرايط مختلف دما و غلظت بررسي گردد.
نتايج شبيهسازيها نشان داد كه در سامانههاي كامپوزيتي، MSD و نفوذ CO₂ نسبت به سامانههاي منفرد كاهش يافت، كه نشاندهنده پايداري بيشتر جذب است.در بين سه غلظت C1، C2 و C3، غلظت C2 اتالين (108 مولكول)، تعادل خوبي بين ويسكوزيته و فضاي آزاد ايجاد كرد، تحرك CO₂ را به طور مؤثري محدود و جذب را تقويت نمود. حضور COF تعاملات اتالين CO₂ را تقويت كرد (پيكهاي بلندتر و نزديكتر)، بهويژه در غلظت C2، كه ظرفيت جذب را تا دو برابر افزايش داد. كلر و اكسيژن اتيلن گليكول سايتهاي اصلي باقي ماندند، و COF با متمركز كردن اتالين در حفرهها، توزيع منظمتري از مراكز فعال ايجاد كرد. مقايسه RDF بين سامانههاي منفرد و كامپوزيتي نشان داد كه حضور COF دسترسي CO₂ به كلر و ديگر گروههاي اتالين را افزايش ميدهد، كه ظرفيت جذب را بهبود ميبخشد. در مورد پروفايل دانسيته در سامانه كامپوزيتي، اضافه شدن اتالين توزيع CO₂ را تغيير داد. در غلظت متوسط C2، همافزايي بين اتالين و COF باعث افزايش قابل توجه جذب در نواحي مركزي بهدليل پيوندهاي هيدروژني قوي و هدايت CO₂ به سمت حفرهها شد. بنابراين، با تنظيم غلظت اتالين نسبت به COF ميتوان عملكرد بهتري از كامپوزيت نسبت به جاذبهاي منفرد حاصل نمود كه ميتواند بهعنوان رويكردي سبز، اقتصادي و مؤثر براي جذب و جداسازي CO₂ مطرح شود. يافتههاي اين پژوهش مبنايي براي توسعه آتي جاذبهاي صنعتي با بازده بالاتر فراهم ميآورد.
كليدواژه لاتين
Covalent organic framework COF-LZU-192 , ethaline Deep eutectic solvent , Composite , Molecular dynamics simulation
عنوان لاتين
Investigation of CO2 capture by ethaline deep eutectic solvent, a covalent organic framework LZU-192 and their Composite by the molecular dynamic’s simulation method
گروه آموزشي
شيمي فيزيك
چكيده لاتين
The escalating concentration of dioxide carbon (CO₂) in the atmosphere, contributing to global warming, ocean acidification, and severe climate changes, underscores the critical need for efficient and sustainable CO₂ capture technologies. Covalent organic frameworks (COFs), with high adsorption capacity, large specific surface area, and active chemical groups (e.g., nitrogen and oxygen), and deep eutectic solvents (DESs) like ethaline, with biocompatibility, low cost, suitable viscosity, and high gas solubility, have emerged as promising novel adsorbents. Combining these materials into a composite leverages their complementary advantages, mitigating the limitations of individual adsorbents by enhancing adsorption capacity, selectivity, mass transfer, and stability under various operational conditions.
This study aims to investigate the CO₂ adsorption capacity of ethaline solvent, COF-LZU-192, and their composite formed by combining ethaline with COF, while analyzing the effects of temperature and concentration. In the first stage, the ethaline + CO₂ system was examined at four temperatures (278, 298, 318, and 338 K) and two concentrations (156 and 312 CO₂ molecules). The second stage involved analyzing the COF-LZU covalent organic framework with CO₂ under the same conditions. In the third stage, the COF-LZU-192 + ethaline composite was developed at three ethaline concentrations (216, 108, and 56 ethaline molecules) to form the composite with the framework. In the fourth stage, CO₂ was introduced to the composite systems at two concentrations to assess the impact of concentration and operational conditions on CO₂ adsorption capacity.
All simulations were performed using molecular dynamics in LAMMPS, employing the GAFF force field for ethaline and COF-LZU-192 and the TraPPE force field for CO₂. Force field validation for ethaline and CO₂ was conducted using the NPT ensemble, achieving experimental densities. Subsequent simulations utilized the NVT ensemble. Post-simulation analyses included mean square displacement (MSD) and diffusion coefficients, radial distribution function (RDF), and density profiles to evaluate CO₂ adsorption and distribution under varying temperature and concentration conditions.
The simulation results revealed that in composite systems, MSD and CO₂ diffusion decreased compared to standalone systems, indicating greater adsorption stability. Among the three concentrations C1, C2, and C3, the C2 ethaline concentration (108 molecules) established a good balance between viscosity and free space, effectively limiting CO₂ mobility and enhancing adsorption. The presence of COF strengthened ethaline-CO₂ interactions (higher and closer RDF peaks), particularly at C2, increasing adsorption capacity up to twofold. Chloride and ethylene glycol oxygen remained the primary sites, while COF concentrated ethaline in pores, creating a more organized distribution of active centers. RDF comparisons between standalone and composite systems showed that COF enhanced CO₂ access to chloride and other ethaline groups, improving adsorption capacity. Regarding density profiles in the composite system, adding ethaline altered CO₂ distribution. At the medium C2 concentration, synergy between ethaline and COF significantly increased adsorption in central regions due to strong hydrogen bonds and CO₂ guidance toward pores. Thus, by tuning ethaline concentration relative to COF, superior composite performance over individual adsorbents can be achieved, positioning it as a green, cost-effective, and efficient approach for CO₂ capture and separation. These findings provide a foundation for developing advanced industrial adsorbents with higher efficiency.
تعداد فصل ها
3
فهرست مطالب pdf
164542
نويسنده