Новый многоуровневый подход к разработке адсорбционных материалов для процессов газоразделения на основе методов молекулярного моделирования и машинного обучения

Проект направлен на создание многоуровневого подхода к разработке адсорбционных материалов для процессов газоразделения и его применение для поиска оптимального катионного состава цеолита X для получения чистого водорода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции из продуктов конверсии природного газа. Чистый водород рассматривается как потенциальная альтернатива ископаемому топливу, необходим в химической, металлургической и пищевой промышленности. Экономически наиболее эффективно выделение водорода из синтез-газа методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КЦА). Одновременное удаление неполярного CH4 и обладающих значимыми мультипольными моментами CO, CO2 и N2 представляет собой сложную задачу, которую решают на практике использованием составных адсорбционных слоёв, в которых используют активные угли для улавливания CH4 и цеолиты для удаления CO, CO2 и N2. Использование углеродсодержащих адсорбентов, проявляющих большое адсорбционное сродство к CH4, сопряжено с проблемами безопасности эксплуатации. Использование цеолитов в качестве адсорбентов может обеспечить взрыво- и пожаробезопасность. В данном проекте планируется создание эффективных адсорбентов для выделения водорода методом КЦА на основе цеолита X, который будет одинаково эффективно адсорбирует как метан, так и другие газы, обладающие значимыми мультипольными моментами. Определить оптимальный катионный состав возможно только с помощью комплексного исследования с использованием как расчетных методов, так и реального физического эксперимента. В проекте предполагается разработка и проведение многоуровневого in silico (компьютерного) скрининга оптимального катионного состава низкомодульного цеолита X для извлечения водорода методом КЦА из водород содержащих газов (ВСГ). Каждый этап скрининга будет подтвержден реальными экспериментальными исследованиями на синтезированных образцах. Для предсказания атомной структуры цеолитов и определения их равновесных адсорбционных свойств в проекте планируется впервые разработать и верифицировать, на литературных и собственных экспериментальных данных, единое силовое поле на основе метода функционала плотности (DFT) для моделирования межмолекулярного взаимодействия H2, CH4, CO, N2 и CO2 с атомами структуры цеолита и катионами щелочных и щёлочноземельных металлов. Для разработки моделей структуры цеолитов с заданным катионным составом будет использован реплично-обменный метод Монте-Карло, а для предсказания равновесной адсорбции – метод Монте-Карло для большого термодинамического ансамбля. Для реализации скрининга на уровне моделирования динамики разделения ВСГ при прохождении через колонку адсорбента и на уровне процесса газоразделения методом КЦА планируется создание прямых математических моделей. Так как каждый новый уровень скрининга будет существенно увеличивать затрачиваемую вычислительную мощность, часть математических моделей, где это возможно, будут заменены на суррогатные модели. Планируется создать суррогатные модели для предсказания структуры цеолита типа X и его равновесных адсорбционных свойств на основе его катионного состава, а также создать суррогатный цифровой двойник лабораторного стенда КЦА. Для каждой созданной в проекте суррогатной модели предполагается провести валидацию на основе как литературных, так и собственных экспериментальных данных. На основе результатов, полученных на каждом уровне скрининга, будут синтезированы, исследованы и испытаны в режиме КЦА образцы адсорбентов с катионным составом близким к оптимальному. Это позволит определить минимальный необходимый уровень скрининга для разработки эффективных адсорбентов. На основе созданной суррогатной модели процесса КЦА будет разработана предиктивная модель, позволяющая с минимальной задержкой предсказывать оптимальные условия работы КЦА стенда при варьировании внешних условий и отслеживать степень деградации адсорбента без остановки процесса.