寻求可持续发展：模拟二氧化碳吸附与环境友好型碳捕获解决方案的沸石

摘要：

大气中二氧化碳浓度的上升，主要是由人类活动引起的，是全球变暖的一个重要驱动力。二氧化碳通过吸收红外辐射而放大温室效应，导致不利的气候变化，从而增加野火、热浪、干旱和风暴潮等自然灾害的发生概率和严重程度。

 

挑战：

大气中二氧化碳浓度的上升，主要是由人类活动引起的，是全球变暖的一个重要驱动力。二氧化碳通过吸收红外辐射而放大温室效应，导致不利的气候变化，从而增加野火、热浪、干旱和风暴潮等自然灾害的发生概率和严重程度因此，科学家们正在探索直接从大气中捕获二氧化碳的方法。

 

1、沸石作为碳捕获解决方案

二氧化碳捕获技术多种多样:化学吸收、物理吸附、膜分离、深冷分离。在这些选择中，吸附技术因其高二氧化碳吸收量、低能耗和无毒特性而脱颖而出。固体吸附剂，如活性炭、沸石、金属-有机框架(MOFs)、有机-无机杂化/复合吸附剂、多孔聚合物、碳纳米管和碳化硅被用于二氧化碳捕获沸石对二氧化碳捕获特别有用，因为它们属于一种能够选择性吸附二氧化碳的多功能材料2.4。由于其价格低廉、可用性好、表面积大、多孔结构、快速动力学以及优异的化学和热稳定性，它们被广泛使用。

 

“沸石”这个词来源于希腊语“zeô”，意思是煮沸，“lithos”意思是岩石(沸腾的岩石)。实际上，沸石是由硅和/或铝以及氧原子组成的铝硅酸盐。这些氧原子带负电荷，由钠或钙等非框架阳离子平衡。沸石可以将水或其他分子困在它们的孔隙中。

 

目前有200多种沸石可供选择，包括天然的和合成的，本项目的目标是确定最适合吸附的沸石。理想的候选物在选择性吸附CO2时表现出最高的吸附能力。虽然对每种沸石进行实验非常耗时，但分子模拟不仅提供了一种更高效、更具成本效益的方法，而且是一种更安全的方法。

 

2、利用BIOVIA材料工作室的沸石优化

在这个项目中，我们使用了BIOVIA Materials Studio 2023中的吸附模块。该模块能够模拟纯山梨酸盐(在这种情况下，二氧化碳分子)吸收到吸附剂框架(被测试的沸石)中。该框架包括一个具有合适大小和形状的孔的三维周期性结构，以容纳山梨酸分子。吸附模块提供了各种功能，用于模拟不同条件下的吸附过程(如固定压力或固定负载)，计算系统的特定性质(如吸附等温线)，并确定框架内山梨酸分子的优先位置。

 

我们首先计算了六种沸石的吸附等温线。这包括在298 K的恒定温度下进行一系列单步定压模拟。每个定压模拟在1kPa到1000kPa的压力范围内执行指定的步骤数。我们使用了与Okello等人最近的一篇论文中描述的相同的参数。

 

在整个模拟过程中，框架内的二氧化碳分子经历了随机的旋转和平移。此外，二氧化碳分子被随机地引入或从框架中移除。根据模拟中使用的蒙特卡罗方法的选择规则，接受或拒绝每个步骤的结果配置。

 

在图2a-f中，我们检查了晶格框架内的有利结合位点。在这个可视化图中，我们描绘了六种不同的沸石(见图1)，用圆点表示二氧化碳吸附位点，根据二氧化碳的密度分布进行颜色编码。我们选择不同负载的沸石来表示。提供了每个模拟沸石的每个孔的负载和重量百分比。

 

通过分析图2，我们可以区分出具有较强吸附能力的沸石。然而，另一个必须考虑的关键因素是沸石的密度，因此，每个细胞的质量。这就是为什么我们根据重量百分比来确定沸石效率，计算公式如下:

 

其中L表示负载、CO2摩尔质量和沸石细胞的摩尔质量。

 

因此，LTA是最有效的吸附沸石，其质量百分比为68.7%。另一方面，MTT分子筛是前景最差的分子筛之一，其重量百分比仅为3.3%。

 

我们还研究了LTA中二氧化碳吸附的最低能量配置，从下面的模拟视频中可以看出，LTA的孔大小是最适合二氧化碳吸附的。

 

使用BIOVIA Materials Studio的吸附模块进行100kPa和298K的固定压力模拟。

 

3、温度对沸石吸附CO2性能的影响

图3清楚地表明，随着温度的升高，吸附能力降低。Xiong et al.7的论文指出了可以解释这一现象的两个潜在原因。首先，吸附是一个放热过程，因此温度的升高会使反应转向解吸。此外，随着温度的升高，与山梨酸盐的旋转和迁移相关的能量增加，导致山梨酸盐和沸石之间的相互作用减少。

 

结论：

处理大气中过剩的二氧化碳不仅仅是环境问题。它在工业和农业中的应用，如促进温室植物生长具有重要意义。分子筛的分子模拟在分子筛优化中起着举足轻重的作用。通过改善沸石的性能，我们促进了二氧化碳的快速吸附和有效的解吸。揭示沸石和二氧化碳之间的相互作用是创新的催化剂，基于沸石的解决方案为利用二氧化碳的潜力为全球工业进步和环境和谐铺平了道路。

 

References：

[1]Mitchell,J.F.,1989.The“greenhouse”effect and climate change. Rev.Geophys.27(1),115–139.

doi:10.1029/RG027i001p00115

 

[2]Bui, M., Adjiman, C.S., Bardow, A., Anthony, E.J., Boston, A., Brown, S., Fennell, P.S., Fuss, S., Galindo, A., Hackett, L.A., 2018. Carbon capture and storage (CCS): the way forward. Energy Environ. Sci. 11 (5), 1062–1176. 

doi:10.1039/C7EE02342A.

 

[3]D’Alessandro D.M., Smit B., Long J.R., 2010. Carbon dioxide capture: Prospects for new materials. Angew. Chem. Int. Ed.;49:6058–6082.

doi:10.1002/anie.201000431

 

[4] Boer, D.G, Langerak, J and. Pescarmona, P. P., 2023. Zeolites as Selective Adsorbents for CO2 Separation. ACS Applied Energy Materials. 6 (5),2634-2656. 

doi:10.1021/acsaem.2c03605

 

[5]http://www.izastructure.org/DatabaseHistory.htm

 

[6]Okello, F. O.,  Fidelis, T.T., Agumba, J., Manda, T., Ochilo, L., Mahmood, A., Pembere, A., 2023. Towards estimation and mechanism of CO2 adsorption on zeolite adsorbents using molecular simulations and machine learning. Materials Today Communications.36,106594.

doi:10.1016/j.mtcomm.2023.106594.

 

­[7]Xiong, P., He, P., Qu, Y., Wang, L., Cao, Y., Xu, S., Chen, J., Ammar, M., Li, H., 2021. The adsorption properties of NaY zeolite for separation of ethylene glycol and 1,2-butanediol:Experiment and molecular modelling Green. Energy Environ.6,102–113.

doi:10.1016/j.gee.2019.12.006.

 

文章详情：https://blog.3ds.com/brands/biovia/seeking-sustainability-simulation-of-co2-adsorption-with-zeolites-for-environmentally-friendly-carbon-capture-solutions/

 

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