Molecular simulation of enhanced separation of humid air components using GO–PVA nanocomposite membranes under differential pressures

文献情報

出版日 2022-06-16
DOI 10.1039/D2CP01411D
インパクトファクター 3.676
著者

Yilin Liu, Jincai Su, Fei Duan, Xin Cui, Weichao Yan, Liwen Jin


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要旨

Hydrophilic nanocomposite membranes have significant advantages in the separation of water vapor which is the core process in air dehumidification. This paper focuses on exploring the micro-mechanism of enhanced separation using graphene oxide–polyvinyl alcohol (GO–PVA) nanocomposite membranes. The sorption and diffusion behaviors of water vapor and nitrogen in GO–PVA membranes were investigated using molecular dynamics (MD) and Monte Carlo (MC) methods. The study showed that embedding GO into a PVA matrix results in a higher glass transition temperature and fractional free volume. The latter is believed to enhance the diffusivity of gas molecules in polymeric membranes. The interaction between the polymer chains and GO nanoparticles notably promotes the adsorption capacity of water vapor and inhibits nitrogen adsorption in the membrane. A water vapor permeance of 8844.07 Barrer and a separation factor of 3.53 could be achieved with the GO–PVA-0.5 membrane. The analysis confirmed that GO has the same effect on single gas and binary gas mixtures, i.e., increasing the water vapor permeability and selectivity. The calculated water vapor permeance of binary gas is 83% lower than that of single gas permeation. It is expected that this research could provide fundamentals for the optimization and synthesis of gas separation membranes.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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