尋求可持續發展:模擬二氧化碳吸附與環境友好型碳捕獲解決方案的沸石

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尋求可持續發展:模擬二氧化碳吸附與環境友好型碳捕獲解決方案的沸石

 

尋求可持續發展:模擬二氧化碳吸附與環境友好型碳捕獲解決方案的沸石

摘要

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大氣中二氧化碳濃度的上升,主要是由人類活動引起的,是全球變暖的一個重要驅動力。二氧化碳通過吸收紅外輻射而放大溫室效應,導致不利的氣候變化,從而增加野火、熱浪、干旱和風暴潮等自然災害的發生概率和嚴重程度。

尋求可持續發展:模擬二氧化碳吸附與環境友好型碳捕獲解決方案的沸石

 

 

01

 

沸石作為碳捕獲解決方案

 

 

二氧化碳捕獲技術多種多樣:化學吸收、物理吸附、膜分離、深冷分離。在這些選擇中,吸附技術因其高二氧化碳吸收量、低能耗和無毒特性而脫穎而出。固體吸附劑,如活性炭、沸石、金屬-有機框架(MOFs)、有機-無機雜化/復合吸附劑、多孔聚合物、碳納米管和碳化硅被用于二氧化碳捕獲沸石對二氧化碳捕獲特別有用,因為它們屬于一種能夠選擇性吸附二氧化碳的多功能材料2.4。由于其價格低廉、可用性好、表面積大、多孔結構、快速動力學以及優異的化學和熱穩定性,它們被廣泛使用。

 

“沸石”這個詞來源于希臘語“ze?”,意思是煮沸,“lithos”意思是巖石(沸騰的巖石)。實際上,沸石是由硅和/或鋁以及氧原子組成的鋁硅酸鹽。這些氧原子帶負電荷,由鈉或鈣等非框架陽離子平衡。沸石可以將水或其他分子困在它們的孔隙中。

 

目前有200多種沸石可供選擇,包括天然的和合成的,本項目的目標是確定最適合吸附的沸石。理想的候選物在選擇性吸附CO2時表現出最高的吸附能力。雖然對每種沸石進行實驗非常耗時,但分子模擬不僅提供了一種更高效、更具成本效益的方法,而且是一種更安全的方法。

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02

 

利用BIOVIA材料工作室的沸石優化

 

 

在這個項目中,我們使用了BIOVIA Materials Studio 2023中的吸附模塊。該模塊能夠模擬純山梨酸鹽(在這種情況下,二氧化碳分子)吸收到吸附劑框架(被測試的沸石)中。該框架包括一個具有合適大小和形狀的孔的三維周期性結構,以容納山梨酸分子。吸附模塊提供了各種功能,用于模擬不同條件下的吸附過程(如固定壓力或固定負載),計算系統的特定性質(如吸附等溫線),并確定框架內山梨酸分子的優先位置。

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我們首先計算了六種沸石的吸附等溫線。這包括在298 K的恒定溫度下進行一系列單步定壓模擬。每個定壓模擬在1kPa到1000kPa的壓力范圍內執行指定的步驟數。我們使用了與Okello等人最近的一篇論文中描述的相同的參數。

 

在整個模擬過程中,框架內的二氧化碳分子經歷了隨機的旋轉和平移。此外,二氧化碳分子被隨機地引入或從框架中移除。根據模擬中使用的蒙特卡羅方法的選擇規則,接受或拒絕每個步驟的結果配置。

 

在圖2a-f中,我們檢查了晶格框架內的有利結合位點。在這個可視化圖中,我們描繪了六種不同的沸石(見圖1),用圓點表示二氧化碳吸附位點,根據二氧化碳的密度分布進行顏色編碼。我們選擇不同負載的沸石來表示。提供了每個模擬沸石的每個孔的負載和重量百分比。

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通過分析圖2,我們可以區分出具有較強吸附能力的沸石。然而,另一個必須考慮的關鍵因素是沸石的密度,因此,每個細胞的質量。這就是為什么我們根據重量百分比來確定沸石效率,計算公式如下:

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其中L表示負載、CO2摩爾質量和沸石細胞的摩爾質量。

 

因此,LTA是最有效的吸附沸石,其質量百分比為68.7%。另一方面,MTT分子篩是前景最差的分子篩之一,其重量百分比僅為3.3%。

 

我們還研究了LTA中二氧化碳吸附的最低能量配置,從下面的模擬視頻中可以看出,LTA的孔大小是最適合二氧化碳吸附的。

 

使用BIOVIA Materials Studio的吸附模塊進行100kPa和298K的固定壓力模擬。

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03溫度對沸石吸附CO2性能的影響

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圖3清楚地表明,隨著溫度的升高,吸附能力降低。Xiong et al.7的論文指出了可以解釋這一現象的兩個潛在原因。首先,吸附是一個放熱過程,因此溫度的升高會使反應轉向解吸。此外,隨著溫度的升高,與山梨酸鹽的旋轉和遷移相關的能量增加,導致山梨酸鹽和沸石之間的相互作用減少。

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結論

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處理大氣中過剩的二氧化碳不僅僅是環境問題。它在工業和農業中的應用,如促進溫室植物生長具有重要意義。分子篩的分子模擬在分子篩優化中起著舉足輕重的作用。通過改善沸石的性能,我們促進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間的相互作用是創新的催化劑,基于沸石的解決方案為利用二氧化碳的潛力為全球工業進步和環境和諧鋪平了道路。

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北京泰科涉及行業

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材料研發

基于BIOVIA Materials Studio材料設計平臺,提供涉及電池、航空航天、國防軍工、建筑、涂料涂層等多領域材料研發軟件及綜合解決方案。

 

藥物研發

針對藥物設計、藥物研發等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等軟件的ADME、構象比對、溶劑篩選、結晶、成鹽、共晶篩選、穩定性、溶解度pKa、分配系數等性質的模擬預測軟件及方案。

 

化工設計

面向精細化工、新能源、石油化工等領域提供精餾萃取催化劑設計、熱力學性質(溶解度、粘度等)、提純表面處理吸附等性質模擬軟件平臺及解決方案。

 

數據挖掘

基于Pipeline Pilot提供數據搜集、數據清洗、特征工程、機器學習、流程設計等多種數據挖掘綜合解決方案。

 

一體化實驗室

? 實驗室信息管理

? 電子實驗記錄本/SOP執行

? 試劑耗材管理

? 儀器管理

? 數據管理

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部分產品

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量化材料類

??Crystal:?固體化學和物理性質計算軟件

? Diamond:?晶體結構數據可視化分析

??Endeavour:強大的求解晶體結構的軟件

? Molpro: 高精度量化軟件

? Molcas: 多參考態量軟件

? Turbomole: 快速穩定量化軟件

??TeraChem:GPU上運行的量化計算軟件

? Spartan: 分子計算建模軟件

 

數據分析類

? GelComparll:?凝膠電泳圖譜分析軟件

? SimaPro: 生命周期評估軟件

? Unscrambler: 完整多變量數據分析和實驗設計軟件??

? CSDS: 劍橋晶體結構數據庫

? lCDD: 國際衍射數據中心數據庫

? ICSD: 無機晶體結構數據庫

? Pearson’s CD: 晶體數據庫

 

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公司簡介

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北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是國內領先的分子模擬及虛擬仿真綜合解決方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司與國際領先的模擬軟件廠商、開發團隊深入合作,為高校、科研院所和企業在材料、化工、藥物、生命科學、環境、人工智能及數據挖掘、虛擬仿真教學等領域提供專業的整體解決方案。用戶根據需要在我們的平臺上高效的進行各種模擬實驗,指導實際的生產設計。

 

北京泰科博思科技有限公司擁有一支一流的技術服務團隊和資深的專家咨詢團隊,以客戶真正需求出發,服務客戶,為客戶創造價值。我們秉承“職業、敬業、擔當、拼搏、合作”的企業精神,致力于用國際領先的軟件產品和專業全面的技術支持服務,成為客戶可信賴的合作伙伴。

2024年第1期應用實例賞析-01
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