Molecular Simulation Study of Transport and Separation of Gas through Nanoporous Graphene Membranes

par Juncheng Guo

Thèse de doctorat en Génie des Procédés

Sous la direction de Guillaume Galliéro et de Romain Vermorel.

Soutenue le 17-12-2020

à Pau , dans le cadre de École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques) , en partenariat avec Laboratoire des fluides complexes et de leurs réservoirs (Pau) (laboratoire) et de Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Étude par Simulation Moléculaire du Transport et de la Séparation de Gaz par des Graphènes Nanoporeux


  • Résumé

    Les graphènes nanoporeux gagnent l’attention des industriels dans le domaine des procédés de séparation. En ce qui concerne la séparation des gaz, les techniques s’appuyant sur des membranes perm-sélectives consomme moins d'énergie que les autres technologies conventionnelles. En raison de l'épaisseur atomique du graphène nanoporeux, de la taille contrôlable des pores de l’ordre des diamètres moléculaires, de sa stabilité mécanique et chimique, il est considéré comme l'un des matériaux de membrane les plus favorables pour les applications de séparation des gaz à l’échelle industrielle. Par exemple, dans le contexte de la production de gaz naturel et de la séparation de l'air, la séparation des mélanges CH4/CO2, N2/O2 bénéficierait largement de ce type de nouveaux matériaux. Avec le développement rapide des techniques de fabrication du graphène, des avancées majeures dans la mise en oeuvre de ces membranes sont attendues dans les prochaines années et des données suffisantes peuvent être trouvées dans la littérature scientifique. Toutefois, il n'existe pas de théorie précise permettant de prédire de manière quantitative la perméance des gaz et le facteur de séparation.Dans ce travail, nous montrons que la perméation des gaz à travers les membranes de graphène nanoporeux mono-couche peut être divisée en trois régimes : le tamisage moléculaire, un régime de transition et le régime d’effusion. Nous proposons un cadre théorique pour expliquer les mécanismes et prédire le coefficient de transport diffusif. Dans notre formalisme théorique, le coefficient de transport est lié aux paramètres qui peuvent être calculés à partir du potentiel de force moyenne (PMF) entre les molécules de gaz diffusantes et les atomes de la membrane. Au moyen de simulations de dynamique moléculaire en équilibre (EMD) et en non-équilibre (NEMD), nous explorons la perméance de composés purs à travers des membranes de graphène nanoporeux présentant des pores de taille et de géométrie différentes. Nous étudions également l'effet des conditionsthermodynamiques (pression et température) sur le coefficient de transport. Les coefficients de transport simulés sont en bon accord avec les prédictions de notre théorie et ce pour tous les régimes de perméation. En outre, sur la base des connaissances acquises sur la perméance des composés purs, nous définissons le concept de sélectivité. En comparant les résultats des simulations moléculaires réalisées avec des mélanges de gaz, nous montrons dans quels cas les résultats obtenus pour les composés purs, et par conséquent notre cadre théorique, nous permettent de prédire la sélectivité des mélanges.


  • Résumé

    Nanoporous graphene membranes are gaining attention in the field of separation processes. Regarding gas separation, perm-selective membranes technology consumes less energy than other conventional technologies. Due to nanoporous graphene’s atomic thickness, controllable pore size in the range of molecular diameters, mechanical and chemical stability, it is considered as one of the most favorable membrane material for industrial gas separation applications. For instance, in the context of natural gas production and air separation, the separation of CH4/CO2, N2/O2 mixtures would greatly benefit from this kind of new materials. With the rapid development in graphene fabrication technology, breakthroughs in nanoporous graphene membranes are expected in the next few years and quite sufficient data can be found in publications. However,there is no accurate theory that can predict gas permeation and separation factor quantitively.In this work, we show that gas permeation through single-layer nanoporous graphene membranes can be divided into three regimes: molecular sieving, crossover regime and effusion. We propose a theoretical framework to explain the mechanisms and predict the diffusive transport coefficient. In our framework, the transport coefficient is related to the parameters which can be computed from the potential of mean force (PMF) between permeating gas molecules and the membrane atoms. By means of Equilibrium (EMD) and Non Equilibrium (NEMD) molecular dynamics simulations, we explore the permeation of pure compounds through nanoporous graphene membranes exhibiting differentpore sizes and geometry. We also investigate the effect of thermodynamic conditions (pressure and temperature) on the transport coefficient. Simulated transport coefficients are in good agreement with the predictions of our theory over the whole range of permeation regimes. Furthermore, based on the knowledge acquired on the permeation of pure compounds, we define the concept of selectivity. By comparing the results of molecular simulations performed with gas mixtures, we show in which cases the results weobtained for pure compounds, and consequently our theoretical framework, allow us to predict the selectivity of mixtures.


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