Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/56764
Type: Dissertação
Title: Investigação in silico de redes metalorgânicas para separação de gases leves
Other Titles: In silico investigation of metal-organic frameworks for light gases separation
Authors: Sabrina Grigoletto
First Advisor: Heitor Avelino de Abreu
First Co-advisor: Guilherme Ferreira de Lima
First Referee: Luiz Antônio Sodré Costa
Second Referee: Ana Paula de Carvalho Teixeira
Abstract: As drásticas mudanças climáticas e o aumento da demanda energética mundial impulsionam a busca por uma matriz energética sustentável. Nesse contexto, o gás natural e o biogás são apontados como combustíveis para a transição energética. O gás natural é o combustível fóssil mais ambientalmente amigável e amplamente disponível em reservas pelo planeta. Ele é composto principalmente por CH4, CO2, frações de hidrocarbonetos leves (C2s e C3s) e N2, sendo o CH4 relevante para a conversão energética. Já o biogás é um gás combustível gerado pela fermentação anaeróbica de matéria orgânica, composto principalmente por metano. Para evitar a corrosão de equipamentos e aumentar a eficiência energética desses combustíveis, é necessário separar o metano das impurezas. Atualmente, a destilação criogênica é empregada, envolvendo altas pressões e temperaturas abaixo do ponto de ebulição das moléculas, resultando em um processo de alto custo energético. Uma alternativa promissora são os processos baseados em adsorção seletiva utilizando sólidos microporosos, destacando-se as redes metalorgânicas (MOFs). Esses materiais são constituídos por cátions metálicos e ligantes orgânicos que formam uma rede porosa com grandes áreas superficiais e alta seletividade para separação de gases. As MOFs pilarizadas com ânions (APMOFs) são uma classe de MOFs que contêm ânions em sua estrutura. As APMOFs SIFSIX são compostas pelo ânion SiF²−6 , ligantes orgânicos aromáticos e cátions divalentes, como Cu²+, e têm mostrado grande potencial na captura de CO2 em misturas contendo CH4. A combinação desses componentes resulta em cavidades funcionalizadas com alta seletividade para separação de gases. Neste trabalho, foram investigadas computacionalmente as redes metalorgânicas SIFSIX-3-Cu, SIFSIX-2-Cu-i e SIFSIX-2-Cu para a separação de metano de etano, eteno, propano, propeno e N2. Foram empregadas metodologias de Monte Carlo, dinâmica molecular e teoria do funcional de densidade. As investigações indicaram que as MOFs avaliadas são promissoras, especialmente na separação de metano da fração C3. Os estudos de adsorção mostraram que a adsorção de propeno e propano nas MOFs SIFSIX-3-Cu e SIFSIX-2-Cu-i é desafiadora devido ao tamanho reduzido dos poros quando comparado com o diâmetro cinético dessas moléculas. Também foi observado que a MOF SIFSIX-2-Cu apresenta maior capacidade de adsorção para moléculas maiores. A avaliação da difusão das moléculas nos canais das MOFs demonstrou que os coeficientes de difusão podem ser ordenados como SIFSIX-2-Cu > SIFSIX-2-Cu-i > SIFSIX-3-Cu. As investigações estruturais, eletrônicas e termodinâmicas revelaram que a adsorção das moléculas ocorre preferencialmente próxima aos sítios de flúor, uma vez que esses átomos estabelecem interações eletrostáticas com os átomos de hidrogênio dos hidrocarbonetos, e que o confinamento das moléculas um fator importante no processo. A combinação das metodologias empregadas mostrou que a rede SIFSIX-2-Cu-i, devido à sua interpenetração, pode ser promissora para a separação de misturas de CH4/N2.
Abstract: The drastic climate changes and the increasing global energy demand are driving the search for a sustainable energy matrix. In this context, natural gas and biogas are identified as fuels for the energy transition. Natural gas is the most environmentally friendly fossil fuel and widely available in reserves worldwide. It is mainly composed of CH4, CO2, light hydrocarbon fractions (C2s and C3s), and N2, with CH4 being relevant for energy conversion. On the other hand, biogas is a combustible gas generated through anaerobic fermentation of organic matter, primarily consisting of methane. To prevent corrosion of equipment and enhance the energy efficiency of these fuels, it is necessary to separate methane from impurities. Currently, cryogenic distillation is employed, involving high pressures and temperatures below the boiling point of molecules, resulting in a high-energy-cost process. A promising alternative is selective adsorption processes using microporous solids, particularly metal-organic frameworks (MOFs). These materials are comprised of metal cations and organic ligands, forming a porous network with large surface areas and high selectivity for gas separation. Anion-pillared metal-organic frameworks (APMOFs) are a class of MOFs that contain anions in their structure. SIFSIX APMOFs are composed of the SiF²−6 anion, aromatic organic ligands, and divalent cations such as Cu²+, demonstrating great potential for capturing CO2 from mixtures containing CH4. The combination of these components results in functionalized cavities with high selectivity for gas separation. In this study, the computational investigation of SIFSIX-3-Cu, SIFSIX-2-Cu-i, and SIFSIX-2-Cu MOFs for the separation of methane from ethane, ethene, propane, propene, and N2 was performed. Monte Carlo, molecular dynamics, and density functional theory methodologies were employed. The investigations indicated that the evaluated MOFs are promising, especially for the separation of methane from the C3 fraction. Adsorption studies revealed that the adsorption of propene and propane in SIFSIX-3-Cu and SIFSIX-2-Cu-i MOFs is challenging due to the small pore size compared to the kinetic diameter of these molecules. Additionally, it was observed that SIFSIX-2-Cu MOF exhibits higher adsorption capacity for larger molecules. Evaluation of molecule diffusion in MOF channels demonstrated that diffusion coefficients can be ordered as SIFSIX-2-Cu > SIFSIX-2-Cu-i > SIFSIX-3-Cu. Structural, electronic, and thermodynamic investigations revealed that molecule adsorption occurs preferentially near fluorine sites, where these atoms establish electrostatic interactions with hydrogen atoms of hydrocarbons, and molecule confinement plays an important role in the process. The combination of employed methodologies showed that SIFSIX-2-Cu-i network, due to its interpenetration, may be promising for the separation of CH4/N2 mixtures.
Subject: Físico-química
Gás natural
Adsorção
Metano
Propano
Hidrocarbonetos
Funcionais de densidade
Dinâmica molecular
Método de Monte Carlo
Termodinâmica estatística
Materiais porosos
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/56764
Issue Date: 14-Jul-2023
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