Введение 3
Обзор литературы 5
Актуальность улавливания диоксида углерода 5
Технологии улавливания 7
Углеродные мезопористые материалы 10
Молекулярное моделирование 15
Моделирование адсорбента 19
Построение моделей 19
Структурные параметры моделей 23
Использовавшиеся модификации 24
Активация поверхности адсорбентов 26
Методика моделирования 28
Метод Монте-Карло 28
Детали моделирования 30
Обработка результатов моделирования 32
Результаты 34
Влияние размера мезопор на адсорбцию 34
Влияние микропор на адсорбцию 37
Влияние активации поверхности адсорбента на адсорбцию CO2 39
Влияние неровности поверхности на адсорбцию 39
Сравнение с экспериментальными данными 41
Оценка возможности разделения смеси CO2/N2 42
Выводы 44
Список литературы 45
В связи с постоянно растущими темпами развития промышленности, уровень антропогенной эмиссии CO2 повышается с каждым годом. Согласно данным Всемирной метеорологической организации, концентрация углекислого газа в атмосфере Земли возросла на 146% по сравнению с доиндустриальным периодом [1], и дальнейшее накапливание CO2 в атмосфере сопряжено с риском неприемлемых последствий для биосферы и человека в частности.
Примеси диоксида углерода и азота нежелательны и в природном газе - виде топлива, которое считается более экологичным по сравнению с бензином или углем. Так, содержание CO2 и N2 в природном газе выше 2% и 4% соответственно значительно уменьшает энергетическую ценность природного газа и приводит к коррозии газопроводов и оборудования [2].
Все это приводит к необходимости поиска эффективных методов очистки газовых смесей, как от чистого диоксида углерода, так и в смеси с азотом.
На сегодняшний день разработано множество методов разделения и очистки газовых смесей, таких как криогенная дистилляция, мембранное разделение, адсорбция и абсорбция [3]. Адсорбционный метод является одним из наиболее перспективных методов защиты атмосферного воздуха от загрязнений, при этом использование твердых адсорбентов является более выгодным с точки зрения энергоэффективности, чем применение чисто химических (например, алканоламинов) или физических (ионные жидкости) адсорбентов [4].
В качестве материалов для адсорбции CO2 и N2 большой научный интерес привлекают мезопористые углеродные материалы. Они обладают рядом свойств, таких как равномерное распределение пор по размерам, большие значения удельной поверхности пор, регулируемая пористость, устойчивость к высоким температурам, химическая инертность и др. [5], благодаря чему они особенно интересны для применения в области адсорбционного разделения. Помимо применения в качестве адсорбента, активно исследуются возможности их применения в роли подложек для катализаторов, электродных материалов, суперконденсаторов [6,7].
Теоретическое описание реальных систем является очень трудной задачей из-за сложности их состава и структуры. В компьютерном моделировании используются модели более высокой степени детализации для изучения процессов адсорбции газов в реальных пористых материалах, чем любая классическая теория, что дает возможность варьировать форму, размеры пор и другие свойства материалов, состав адсорбируемой газовой смеси. Это позволяет оценить возможность использования материала как адсорбента в различных условиях, не прибегая к его синтезу, а также получить информацию о поведении системы, изучение которой стандартными методами затруднено (например, исследования адсорбции токсичных веществ при критических значениях и температурах). Для моделирования систем с переменным числом частиц в условиях закрепленных объема, температуры и химического потенциала удобнее всего использовать метод Монте-Карло [9].
CMK-3 является представителем упорядоченных углеродных мезопористых материалов, обладает строгой гексагональной симметрией и высокой степенью структурированности, большой площадью поверхности и другими преимуществами, что делает его перспективным для использования в различных областях науки и промышленности. Результаты компьютерного моделирования напрямую зависят от выбранной модели адсорбента, в частности, от его структурных параметров. При подготовке модели CMK-3 необходимо обратить внимание на ряд особенностей углеродного материала, которые могут существенно сказываться при моделировании адсорбции газов, в частности, на размер пор и стержней, присутствие дефектов структуры (микропоры в стержнях), наличие перемычек между стержнями, степень активации поверхности адсорбента.
Цель работы: изучение процесса разделения смесей CO2/N2 в углеродном мезопористом материале CMK-3
Задачи:
• Подготовка программного обеспечения для модификации модели адсорбента.
• Моделирование методом Монте-Карло адсорбции газов в CMK-3 с использованием различных модификаций модели.
• Выявление влияния параметров модели CMK-3 на адсорбционную емкость материала и его селективность к углекислому газу.
В результате проведенного моделирования адсорбции газов в углеродном мезопористом адсорбенте CMK-3 с использованием различных модификаций его модели было показано, что:
• Микропоры значительно увеличивают адсорбционную емкость.
• Молекулы адсорбата приоритетно локализуются внутри микропор.
• Увеличение площади поверхности приводит к повышению адсорбционной емкости при малых давлениях.
• Увеличение объема мезопор приводит к увеличению адсорбционной емкости и уменьшению селективности адсорбента.
• Увеличение количества активных групп на поверхности адсорбента приводит к росту селективности. Влияние степени активации поверхности на адсорбционную емкость уменьшается с повышением давления.
• Наличие микро-стержней между мезо-стержнями адсорбента незначительно влияет на адсорбционную емкость и селективность в случае используемой модели CMK-3.
• Эрозия поверхности уменьшает полезный объем микропор и мезопор, что приводит к уменьшению адсорбционной емкости.
• Рассмотренные адсорбенты на основе CMK-3 селективны к углекислому газу при всех рассмотренных условиях и могут использоваться для разделения газовых смесей. Наибольшей эффективностью для выделения углекислого газа из смесей обладает модификация CMK-3-125-Enh, характеризующаяся наибольшим количеством микропор и активных центров на поверхности.
Разработанное программное обеспечение может быть использовано для подготовки различных модификаций моделей материалов семейства темплатных углеродных мезопористых адсорбентов, что позволит оценить влияние структурных особенностей адсорбента на разделение газовых смесей и другие процессы, протекающие в твердых материалах.
