Tesis por compendio / [ES] Los métodos de química computacional se han empleado en el estudio de materiales de zeolita aplicados a procesos de separación. Se consideró un enfoque clásico, donde los campos de fuerza se seleccionaron durante los procedimientos de benchmark entre los modelos actualmente disponibles. Los resultados obtenidos han sido validados considerando datos experimentales y se mejoró la descripción de los modelos, cuando fue posible, mediante procedimientos de parametrización.
Así, los mejores modelos describieron sistemas con diferentes grados de complejidad, que fueron simulados a través de los métodos de Dinámica Molecular y Monte Carlo. La difusión y la adsorción en los microporos (bulk) y en la superficie externa de las zeolitas se pueden entender a nivel molecular. Se calculó la energía de adsorción y también se descompuso su magnitud en las contribuciones electrostática y de van der Waals. Además, fue posible observar más de cerca las interacciones anfitrión-invitado e invitado-invitado durante las trayectorias simuladas.
Considerando la creciente demanda energética a nivel mundial, los biocombustibles se consideran una opción sostenible obtenida a partir de biomasa. Se han simulado con éxito los pasos del proceso experimental desarrollado por Denayer et al. para la recuperación de biobutanol a partir de una mezcla fermentada. Se modelaron los ciclos de adsorción y desorción en dos columnas zeolíticas con selectividad complementaria (tipo LTA y CHA), con sistemas de nanoláminas y considerando las principales características experimentales. Aunque las escalas de tiempo experimentales son inalcanzables para los recursos computacionales disponibles actualmente, los sistemas simulados pudieron capturar los fenómenos experimentales y fueron evaluados más a fondo a través del comportamiento microscópico de los sistemas.
Un estudio experimental y computacional señaló la STW sílice pura (Si-STW) como un candidato prometedor para la separación de alcanos lineales, monoramificados y diramificados. Se probaron los isómeros C5 a C7, y el material Si-STW superó la capacidad de adsorción y selectividad de MFI de sílice pura, especialmente hacia los isómeros diramificados con átomos de carbono cuaternarios. Se calcularon las isotermas de adsorción, el calor de adsorción y el comportamiento de difusión de los hidrocarburos probados y se compararon con los resultados experimentales. Por lo tanto, las propiedades de adsorción de Si-STW pueden ser exploradas para su uso sobre el producto obtenido durante el proceso de hidromerización - que genera componentes de mayor octanaje para la mezcla de gasolina -, aumentando su número de octano.
La producción de 6-kestosa para uso industrial como prebiótico y azúcar de bajo índice glucémico depende de su separación de las moléculas de sacarosa. La separación de una mezcla acuosa equimolar, que contiene sacarosa y 6-kestosa, mediante membranas zeolíticas se ha investigado a través de simulaciones de Dinámica Molecular. Una selección considerando las 253 estructuras de zeolitas reportadas, señaló los tres candidatos más prometedores (AET, ETR y DON), al evaluar el efecto de exclusión por tamaño (adsorción de sacarosa y exclusión de 6-kestosa), la movilidad de ambos azúcares dentro de las estructuras (evaluados con modelos tipo bulk), y simulando su futura aplicación como sistemas de membranas. Entre los mejores candidatos, la zeolita DON presentó una selectividad significativa para las moléculas de sacarosa, con el mayor flujo y siendo factible como material de sílice pura, igualando la composición química simulada. / [CA] Els mètodes de química computacional s'han emprat en l'estudi de materials de zeolita aplicats a processos de separació. Es va considerar un enfocament clàssic, on els camps de força es van seleccionar durant els procediments de benchmark entre els models actualment disponibles. Els resultats obtinguts han sigut validats considerant dades experimentals i es va millorar la descripció dels models, quan va ser possible, mitjançant procediments de parametrització. Així, els millors models van descriure sistemes amb diferents graus de complexitat, que van ser simulats a través dels mètodes de Dinàmica Molecular i Monte Carlo. La difusió i l'adsorció en els microporus (bulk) i en la superfície externa de les zeolites es poden entendre a nivell molecular. Es va calcular l'energia d'adsorció i també es va descompondre la seua magnitud en les contribucions electroestàtica i de van der Waals. A més, va ser possible observar més de prop les interaccions amfitrió-convidat i convidat-convidat durant les trajectòries simulades.
Considerant la creixent demanda energètica a nivell mundial, els biocombustibles es consideren una opció sostenible obtinguda a partir de biomassa. S'han simulat amb èxit els passos del procés experimental desenvolupat per Denayer et al. per a la recuperació de biobutanol a partir d'una mescla fermentada. Es van modelar els cicles d'adsorció i desorció en dues columnes de zeolites amb selectivitat complementària (tipus LTA i CHA), amb sistemes de nanoláminas i considerant les principals característiques experimentals. Encara que les escales de temps experimentals són inassolibles per als recursos computacionals disponibles actualment, els sistemes simulats van poder capturar els fenòmens experimentals i van ser avaluats més a fons a través del comportament microscòpic dels sistemes.
Un estudi experimental i computacional va assenyalar la STW sílice pura (Si-STW) com un candidat prometedor per a la separació d'alcans lineals, monoramificats i diramificats. Es van provar els isòmers C5 a C7, i el material Si-STW va superar la capacitat d'adsorció i selectivitat de MFI de sílice pura, especialment cap als isòmers diramificats amb àtoms de carboni quaternaris. Es van calcular les isotermes d'adsorció, la calor d'adsorció i el comportament de difusió dels hidrocarburs provats i es van comparar amb els resultats experimentals. Per tant, les propietats d'adsorció de Si-STW poden ser explorades per al seu ús sobre el producte obtingut durant el procés de hidromerització - que genera components de major octanatge per a la mescla de gasolina -, augmentant el seu número d'octà.
La producció de 6-kestosa per a ús industrial com a prebiòtic i sucre de baix índex glucèmic depén de la seua separació de les molècules de sacarosa. La separació d'una mescla aquosa equimolar que conté sacarosa i 6-kestosa mitjançant membranes de zeolites s'ha investigat amb simulacions de Dinàmica Molecular. Una selecció considerant les 253 estructures de zeolites reportades, va assenyalar els tres candidats més prometedors (AET, ETR i DON), en avaluar l'efecte d'exclusió per grandària (adsorció de sacarosa i exclusió de 6-kestosa), la mobilitat de tots dos sucres dins de les estructures (avaluats amb models tipus bulk), i simulant la seua futura aplicació com a sistemes de membranes. Entre els millors candidats, la zeolita DON va presentar una selectivitat significativa per a les molècules de sacarosa, amb el major flux i sent factible com a material de sílice pura, igualant la composició química simulada. / [EN] Computational chemistry methods have been employed in the study of zeolite materials applied to separation processes. A classical approach was considered, where the force fields were selected during benchmark procedures among the models currently available. The obtained results have been validated considering experimental data, and models description was improved, when possible, by parameterization procedures. Thus, the best models described systems with different degrees of complexity, that were simulated through Molecular Dynamics and Monte Carlo methods. Diffusion and adsorption in zeolites' micropores (bulk) and external surface could be understood at a molecular level. The adsorption energy was calculated, and its magnitude also decomposed into the electrostatic and van der Waals contributions. Besides, a closer look into the host-guest and guest-guest interactions could be done during the trajectories simulated.
Considering the growing energetic demand worldwide, biofuels are considered a sustainable option obtained from biomass. The steps of the experimental process developed by Denayer et al. for biobutanol recovery from a fermented mixture have been successfully simulated. Both adsorption and desorption cycles in two zeolitic columns with complementary selectivity (LTA and CHA-type) were modeled as nanosheet systems, considering the main experimental features. Although the experimental time scales are unreachable for the current computational resources available, the systems simulated could capture the experimental phenomena, and were further evaluated through the microscopic behavior of the systems.
An experimental and computational study pointed pure silica STW (Si-STW) as a promising candidate for the separation of linear, monobranched and dibranched alkanes. C5 to C7 isomers were tested, and Si-STW material outperformed pure silica MFI adsorption capacity and selectivity, specially towards the dibranched isomers with quaternary carbon atoms. Adsorption isotherms, heat of adsorption and the diffusional behavior of the tested hydrocarbons have been calculated, and compared with the experimental results. Thus, Si-STW adsorptive properties can be further explored for its usage over the product obtained during the hydromerisation process - that generates higher-octane components for gasoline mixture -, increasing its octane number.
The production of 6-kestose for industrial usage as prebiotic and low-glycemic sugar is dependent on its separation from sucrose molecules. The separation of an equimolar aqueous mixture, containing sucrose and 6-kestose, by zeolitic membranes have been investigated through Molecular Dynamics simulations. A screening considering the 253 zeolites structures reported, pointed out the three most promising candidates (AET, ETR and DON), by evaluating the size exclusion effect (adsorption of sucrose and exclusion of 6-kestose), the mobility of both sugars inside the frameworks (evaluated with bulk models), and simulating their future application as membrane systems. Among the best candidates, DON framework presented a significant selectivity for sucrose molecules, with the largest flux, and being feasible as a pure silica material, matching the chemical composition simulated. / This work was supported by Generalitat Valenciana (GVA) predoctoral fellowship GRISOLIAP/2019/084. We also thank GVA for PROMETEO/2021/077 project
and ASIC-UPV and SGAI-CSIC for the use of computational facilities. We acknowledge the Spanish Ministry of Sciences, Innovation and Universities
(MCIU), State Research Agency (AEI), and the European Fund for Regional Development (FEDER) for their funding via project RTI2018-101784-B-I00 and
Program Severo Ochoa SEV-2016-0683 / Misturini, A. (2022). Mixture Separations with Zeolites: Molecular View on Adsorptive Processes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191433 / Compendio
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/191433 |
| Date | 23 January 2023 |
| Creators | Misturini, Alechania |
| Contributors | Rey Garcia, Fernando, Sastre Navarro, German Ignacio, Universitat Politècnica de València. Instituto Universitario Mixto de Tecnología Química - Institut Universitari Mixt de Tecnologia Química, Ministerio de Economía y Competitividad, Agencia Estatal de Investigación, Generalitat Valenciana |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/MINECO//SEV-2016-0683//Programa Estatal de Fomento de la Investigación Científica y Técnica de Excelencia, info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020/RTI2018-101784-B-I00/ES/NUEVOS MATERIALES ZEOLITICOS PARA PROCESOS DE SEPARACION SELECTIVA DE GASES, APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES Y CONSERVACION DE ALIMENTOS/, info:eu-repo/grantAgreement/GVA//GRISOLIAP%2F2019%2F084/ |
Page generated in 0.0044 seconds