Методами Монте-Карло, молекулярной динамики и молекулярной динамики с двойным контрольным объемом было проведено всестороннее систематическое исследование разделения газовой смеси CO2/N2, имитирующей топочный газ, с использованием мезопористых углеродных материалов различной топологии CMK-5, CMK-3 и FDU-15. Моделирование проводилось при температурах (298 K и 323 K) и давлениях (до 50 атм), что позволило охватить условия, которые могут соответствовать как условиям разделения топочных газов в лаборатории, так и на производстве.
Адсорбционные свойства (адсорбционные емкость и селективность) были изучены методом Монте-Карло в большом каноническом ансамбле. Получено, что адсорбционная емкость материала CMK-5 в несколько раз выше, чем материалов CMK-3 и FDU-15, причем различие тем больше, чем выше давление. Адсорбционные емкости материалов CMK-3 и FDU-15 близки по величине. К углекислому газу наиболее селективен адсорбент CMK-3. Коэффициенты адсорбционной селективности практически не чувствительны к изменению давления. При повышении температуры коэффициенты селективности незначительно уменьшаются. Снижение адсорбционной емкости при увеличении температуры становится существенным при высоких давлениях и может достигать 30%.
Увеличение размера пор негативно сказывается на разделении газовой смеси CO2/N2: селективность к углекислому газу значительно снижается, при этом существенный рост адсорбционной емкости не наблюдается в исследуемом интервале давлений.
Диффузия адсорбированных газов изучалась методом молекулярной динамики в изотермо-изобарических условиях. Были рассчитаны коэффициенты диффузии газов при различных давлениях (т.е. составах и плотностях системы, полученных ранее методом Монте-Карло). Получено, что подвижность газов может как уменьшается, так и увеличиваться (в CMK-5) с ростом давления. Коэффициенты диффузии газов в FDU-15 в несколько раз выше, чем в CMK-3 и CMK-5 в силу меньшей плотности адсорбата и более слабого адсорбционного поля. Анализ диффузии молекул в различных областях материалов показал, что коэффициенты диффузии в пристеночном слое и в центральной части мезопор различаются в разы (в 2-4 раза для CMK-5, и 5-6 раз для FDU-15). Коэффициенты диффузии газов в межпористом пространстве CMK-5 в разы меньше, чем в цилиндрических мезопорах, и на порядке ниже, чем в аналогичных порах CMK-3. При переходе от температуры 298 K к 323 K значения коэффициентов диффузии газов в CMK-5 увеличиваются в 2-3 раза и изменяется вид их зависимости от давления. CMK-3 и FDU-15 оказались малочувствительны к изменению температуры.
Углеродные адсорбенты проявляют кинетическую селективность к азоту (коэффициенты диффузии азота всегда выше, чем углекислого газа). Наибольшей селективностью обладает материал CMK-5. При высоких давлениях (выше 25 атм) коэффициенты кинетической селективности оказываются приблизительно равны, т.е. отношение коэффициентов диффузии газов становится нечувствительно к структуре углеродного материала, составу и плотности адсорбированного газа. При повышении температуры кинетическая селективность материалов к азоту снижается.
Исследование процесса мембранного разделения в неравновесных условиях в присутствии потока вещества было выполнено методом молекулярной динамики с двойным контрольным объемом. Были рассчитаны поток вещества через мембрану, мембранная проницаемость и селективность. Поток азота через мембраны на основе CMK-5 и FDU-15 в большинстве случаев оказывался существенно (до 4 раз и даже более) сильнее, чем поток углекислого газа. Для мембран на основе CMK-3 потоки обоих компонентов близки по мощности. Поток азота через мембраны на основе CMK-5 и FDU-15 в большинстве случаев оказывался существенно (до 4 раз и даже более) сильнее, чем поток углекислого газа. Для мембран на основе CMK-3 потоки обоих компонентов очень близки по мощности. повышение разности давлений приводит к существенному усилению потоков компонентов через мембрану. Значения мембранных селективностей практически не зависят от условий моделирования (температура, давление, состав смеси) и могут рассматриваться как индивидуальные характеристики мембран.
Для мембран CMK-3 наблюдается самая высокая селективность (6.0), однако проницаемость мембран из CMK-3 имеет невысокие значения. Напротив, для CMK-5, демонстрирующего самую высокую проницаемость и самую низкую селективность (1.3–1.5). Наименее удачным вариантом оказался FDU-15, у которого и проницаемость, и селективность оказываются весьма невысокими.