Understanding the behavior of materials for caputre of greenhouse gases by molecular simulations

Abstract

Establecer una cota global a las emisiones de gases de efecto invernadero ha sido imposibilitado por la complejidad que conlleva demostrar los efectos de la contribución humana al efecto invernadero. Para alcanzar un desarrollo sostenible es necesario, primero limitar y en lo posible eliminar las emisiones de dichos gases a la atmosfera. En este contexto, la adsorción de gases se ha establecido como una de las alternativas más efectivas a mediano plazo para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, en esta tesis, el objetivo principal es estudiar a nivel molecular la adsorción de gases de efecto invernadero y comprender mejor la interacción entre las distintas variables que afectan el proceso de captura. En la primera parte de esta tesis se estudió, la separación de una mezcla de hexafluoruro de azufre (SF6) y nitrógeno (N2). El SF6 se emite en pequeñas cantidades, sin embargo por ser un potente gas de efecto invernadero con un tiempo de vida extremadamente alto se requiere un control estricto de sus emisiones. En este trabajo se estudió, empleando modelos simples, el efecto del tamaño de poro, la presión y la composición de la mezcla en la separación selectiva del SF6. Posteriormente, se realizaron simulaciones con modelos realistas de dos carbonos réplicas de zeolitas y se encontró que la selectividad predicha para el SF6 en dichos materiales es superior a la de los materiales previamente reportados en la literatura. En la segunda parte del trabajo se estudió el uso de estos materiales de carbono para la captura de dióxido de carbono (CO2) a temperatura ambiente, y se encontró que su capacidad de captura de CO2 a altas presiones es comparable a la de los mejores adsorbentes de CO2 reportados. Para comprender mejor la captura en los carbonos réplicas de zeolitas, se emplearon simulaciones moleculares para obtener información acerca de su compleja estructura interna y predecir las interacciones del CO2 con el interior de estos materiales. En la parte final de esta tesis se estudiaron materiales híbridos organo-inorgánicos, en particular, adsorbentes de sílica funcionalizados con grupos amino. Se desarrolló una nueva metodología de simulación para la generación de materiales de sílica funcionalizados con cadenas orgánicas y el cálculo de sus propiedades de adsorción. La metodología se evaluó empleando modelos de sílica gel y MCM-41 funcionalizados con diferentes cadenas orgánicas, comparando los resultados de las simulaciones de las isotermas de adsorción y la densidad de funcionalización con datos experimentales. Simultáneamente, se desarrolló un nuevo método que permite calcular adicionalmente a la fisisorción la quimisorción del CO2 en las aminas empleando simulaciones moleculares. En resumen, esta tesis de doctorado resalta diferentes posibilidades para la captura y separación de gases de efecto invernadero y proporciona nuevas herramientas de simulación para evaluar y optimizar sistemas de captura de gases. Esta tesis se enmarca dentro de la ciencia de materiales y muestra como la investigación básica en este campo puede ser usada como una herramienta para evaluar y optimizar procesos industriales.

The establishment of a global limit on the emissions of greenhouse gases has been hindered by the complexity to prove the effects of manmade greenhouse gases on a global scale. In order to achieve a sustainable development it is important to limit, and when possible eliminate, emissions of industrial greenhouse gases to the atmosphere. In this context, adsorption has been established as one of the best cost-effective means of reducing emissions of greenhouse gases in the short-term. Thus, in this thesis, the main objective is to study at a molecular level the adsorption of greenhouse gases and to obtain a better insight into the capture processes for their future optimization. Molecular simulations are used in order to find the optimal diameter for the separation of sulfur hexafluoride (SF6) from nitrogen (N2); this mixture is commonly used in electrical applications. SF6 is typically emitted in small quantities, but because it is a potent greenhouse gas and possesses extremely long lifetimes, there is a pressing need for a strict control of its emissions. The effect of pore size, pressure, and mixture compositions on the selective adsorption of SF6 was investigated using simple models. Subsequently, simulations using two atomistic models of zeolite templated carbons were performed. The separation selectivities compared favorably to the materials previously reported for the separation of this mixture. Moreover, the potential use of these two templated carbon materials to capture carbon dioxide (CO2) at room temperature is reported. Their high-pressure CO2 adsorption isotherms are among the highest carbon capture capacity for carbonaceous materials and are comparable to the best CO2 adsorbing materials. In addition, the simulated adsorption isotherms were used to obtain new insights into the adsorption process of the templated carbons. In the final part of the thesis hybrid organic-inorganic adsorbents were studied. For CO2 capture, solid adsorbents are functionalized with amino groups that largely increase their adsorption capabilities. However, the underlying mechanism of the adsorption process in the functionalized materials is not fully understood, limiting the possibility of designing optimal adsorbent materials for different applications. The adsorption of CO2 in aminefunctionalized silica materials was studied using Monte Carlo molecular simulations. A simulation methodology for the design of functionalized silica materials was proposed. The methodology was evaluated using models of silica gel and MCM-41 functionalized with different organic groups, comparing the resulting adsorption isotherms and grafting density to available experimental data. Furthermore, a new scheme that allows accounting for the chemisorbed CO2 on the adsorption isotherms is presented In summary, this PhD thesis highlights different possibilities for the capture and separation of greenhouse gases and provides new tools for evaluating and optimizing capture systems. Finally, this dissertation shows the use of basic research in Materials Science as an established tool for evaluating and optimizing thermodynamics of engineering processes.