Käesolev projekt on suunatud gaaside segu adsorptsiooni uurimisele mikropoorsetes kristalsetes materjalides. Arendatav meetod põhineb adsorptsiooni energiate arvutamisel kvantkeemiliste ab initio meetoditega, võtab arvesse adsorptsiooni tsentrite heterogeensust ning adsorbaat-adsorbaat interaktsioone. Adsorbeerund faasi koostise kindlaks tegemine erinevatel temperatuuridel ja rõhkude vahemikus võimaldab leida parimad tingimused gaaside eraldamiseks ja hindamaks uuritud materjali sobivust tööstuslikuks rakenduseks. Peamisteks uuritavateks gaaside segudeks on valitud põlemisgaaside, süsinikdioksiidi ja lämmastiku, eraldamine ning maagaasi puhastamine süsinikdioksiidist. Tööstuslikul rakendamisel võimaldab arendatav meetod vähendada gaaside eraldamise energiakulu ja maksumust. Süsinikdioksiidi efektiivsem eraldamine võimaldab loodusressursse säästlikumalt kasutada, vähendada keskkonda saastavate tootmisjääkide hulka, parandada õhu kvaliteeti ja selle kaudu ka inimeste tervist.
The project aims at improved description of multicomponent gas mixture adsorption in microporous crystals with heterogeneous adsorption sites. The developed method will rely on calculation of adsorption energies with chemical accuracy and it will include lateral interaction energies between all adsorbed molecules. It will give fundamental knowledge about the composition of adsorbed phase and its dependence on the composition of the gas phase mixture at wide range of adsorption conditions (pressure and temperature). This makes it possible to determine the optimal conditions for gas mixture separations and make judgments if the material has a potential for commercialisation. The main focus will be CO2 separation from flue gas for CCS and purification of natural gas from CO2 for natural and biogas upgrade. Industrial application of the method has the potential of significantly reducing the energy consumption and cost of gas separation.
Antud projekti eesmärk oli välja töötada täpsemad arvutuslikud meetodid pinnaga seondunud gaasi hulga ennustamiseks lähtudes ainult adsorbendi struktuurist. Projekti uudsus ja kitsam ülesanne oli adsorbeerunud molekulide vahel mõjuvate (adsorbaat-adsorbaat) interaktsioonide täpne arvestamine gaasisegude adsorptsiooni korral ja nende mõju hindamine segu komponentide pinnale seondumise selektiivsusele.
Uuriti nelja segu - CH4/N2, CO/N2, CO2/N2 ja CO2/CH4 - adsorptisiooni metall-orgaanilise võre CPO-27-Mg (Mg-MOF-74) poorides. Olenevalt lateraalsete interaktsioonide tugevusest võib segud jaotada kaheks: CH4/N2 ja CO/N2 käituvad ideaalsete segudena, samas kui süsinikdioksiidi sisaldavad segud on pinnal mitteideaalsed. Ideaalsete segude korral on interaktsioonid molekulide vahel sarnase tugevusega ning gaaside segunemisenergiad pinnal nullilähedased. Sellepärast ei sõltu adsorptsiooni selektiivsus rõhust ega ka gaasifaasi koostisest. Lateraalsed interaktsioonid adsorbeerunud CO2 molekulide vahel on aga tugevad ja sellepärast on süsinikdioksiidi sisaldavate segudel arvestatav segunemisenergia. Viies CO2/N2 ja CO2/CH4 segude adsorptsiooni läbi järjest kõrgematel rõhkudel, on võimalik suurendada nende segude adsorptsiooni selektiivsust praktiliselt kaks korda.
Laialt levinud praktika on hinnata gaasisegude adsorptsiooni mõõtes üksikute komponentide adsorptsiooniisotermid ning siis rakendada ideaalset adsorbeerunud lahuse teooriat (Ideal Adsorbed Solution Theory, IAST). Me näitasime, et ideaalsena käituvad segud ainult piiratud tingimustes ja tegelik materjali gaaside eraldusvõime võib olla palju parem kui IAST poolt ennustatu. Projekti raames arendati välja IAST-ile alternatiivne meetod – co-adsorption mean field theory (CAMT). Selle meetodi järgi ei pruugi enam gaaside segunemisenergia olla null ja nii on võimalik saada usaldusväärsemaid hinnanguid mitteideaalsete segude adsorptsiooni kohta, kui seda on IAST ennustused.