Atomistic modeling toward high-efficiency carbon capture: A brief survey with a few illustrative examples

International Journal of Quantum Chemistry

Volumn 114, Issue 3, 2014, Pages 163-175

  Maiti, Amitesh ^a  

^a LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

CO2 capture; COSMO RS; ionic liquids; molecular modeling

Indexed keywords

ANTHROPOGENIC EMISSIONS; CO2 CAPTURE; COSMO-RS; DESIGN AND OPTIMIZATION; ENVIRONMENTAL IMPLICATIONS; EQUILIBRIUM THERMODYNAMICS; GUEST-HOST INTERACTIONS; METAL ORGANIC FRAMEWORK;

ACTIVATED CARBON; CARBON CAPTURE; CARBON DIOXIDE; CRYSTALLINE MATERIALS; GREENHOUSE GASES; INDUSTRIAL PLANTS; IONIC LIQUIDS; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULAR MODELING; OPTIMIZATION; SURVEYS;

LOADING;

EID: 84890554987     PISSN: 00207608     EISSN: 1097461X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/qua.24579     Document Type: Review

References (125)

1. Wikipedia article, Available at: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon- capture-and-storage, last accessed on 07/15/2013.
2. J. David, H. Herzog, In Proceedings of the Fifth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies; Cairns, Australia, 2000; pp. 985-990, CSIRO Publishing, Collingwood, Victoria, Australia.
3. O. Işlegen, S. Reichelstein, Manage. Sci. 2011, 57, 21.
4. G. T. Rochelle, Science 2009, 325, 1652.
5. R. D. Deshmukh, A. E. Mather, Chem. Eng. Sci. 1981, 36, 355.
6. F.-Y. Jou, A. E. Mather, F. D. Otto, Can. J. Chem. Eng. 1995, 73, 140.
7. J. Gabrielsen, M. L. Michelsen, E. H. Stenby, G. M. Kontogeorgis, Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 3348.
8. D. M. Austgen, G. T. Rochelle, X. Peng, C. C. Chen, Ind. Eng. Chem. Res. 1989, 28, 1060.
9. Y. Liu, L. Zhang, S. Watanasiri, Ind. Eng. Chem. Res. 1999, 38, 2080.
10. E. T. Hessen, T. Haug-Warberg, H. F. Svendsen, Chem. Eng. Sci. 2010, 65, 3638.
11. W. Bottinger, M. Maiwald, H. Hasse, Fluid Phase Equilib. 2008, 263, 131.
12. W. Bottinger, M. Maiwald, H. Hasse, Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, 7917.
13. M. K. Aroua, A. Benamor, M. Z. Haji-Sulaiman, Ind. Eng. Chem. Res. 1999, 44, 887.
14. F.-Y. Jou, F. D. Otto, A. E. Mather, Ind. Eng. Chem. Res. 1994, 33, 2002.
15. J. K. Carson, K. N. Marsh, A. E. Mather, J. Chem. Thermodyn. 2000, 32, 1285.
16. N. McCann, M. Maeder, M. Attalla, Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, 2002.
17. C. Mathonat, V. Majer, A. E. Mather, J.-P. E. Grolier, Fluid Phase Equilib. 1997, 140, 171.
18. I. Kim, H. F. Svendsen, Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 5803.
19. F. Leder, Chem. Eng. Sci. 1971, 26, 1381.
20. H. Hikita, S. Asai, H. Ishikawa, M. Honda, Chem. Eng. J. 1977, 13, 7.
21. P. M. M. Blauwhoff, G. F. Versteeg, W. P. M. van Swaaij, Chem. Eng. Sci. 1983, 38, 1411.
22. M. H. Jamroz, J. C. Dobrowoloski, M. A. Borowiak, J. Mol. Struct. 1997, 404, 105.
23. E. F. da Silva, H. F. Svendsen, Ind. Chem. Chem. Res. 2006, 45, 2497.
24. B. Arstad, R. Blom, O. Swang, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 1222.
25. M. Ismael, R. Sahnoun, A. Suzuki, M. Koyama, H. Tsuboi, N. Hatakeyama, A. Endou, H. Takaba, M. Kubo, S. Shimizu, C. A. Del Carpio, A. Miyamoto, Int. J. Greenhouse Gas Control 2009, 3, 612.
26. A. Klamt, G. Schüürmann, J. Chem. Soc. Perkin. Trans. 1993, 2, 799.
27. A. Klamt, J. Phys. Chem. 1995, 99, 2224.
28. A. Klamt, COSMO-RS: From Quantum Chemistry to Fluid Phase Thermodynamics and Drug Design; Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 2005.
29. H. Yamada, S. Shimizu, H. Okabe, Y. Matsuzaki, F. A. Chowdhury, Y. Fujioka, Ind. Eng. Chem. Res. 2010, 49, 2449.
30. R. Ahlrichs, M. Bär, M. Häser, H. Horn, C. Kölmel, Chem. Phys. Lett. 1989, 162, 165.
31. A. Schäfer, A. Klamt, D. Sattel, J. C. W. Lohrenz, F. Eckert, Phys. Chem. Chem. Phys. 2000, 2, 2187.
32. A. D. Becke, Phys. Rev. A 1988, 38, 3098.
33. J. P. Perdew, Phys. Rev. B 1986, 33, 8822.
34. J. P. Perdew, Phys. Rev. B 1986, 34, 7406.
35. K. Eichkorn, F. Weigend, O. Treutler, R. Ahlrichs, Theor. Chim. Acta 1997, 97, 119.
36. A. Schäfer, C. Huber, R. Ahlrichs, J. Chem. Phys. 1994, 100, 5829.
37. P. Nagy, J. Mol. Struct. Theochem 1989, 201, 271.
38. H. A. Al-Ghawas, D. P. Hagewiesche, G. Ruiz-Ibanez, O. C. Sandall, J. Chem. Eng. Data 1989, 34, 385.
39. R. H. Weiland, J. C. Dingman, D. B. Cronin, G. J. Browning, Ind. Eng. Chem. Res. 1998, 43, 378.
40. T. G. Amundsen, L. E. Øi, D. A. Eimer, Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 54, 3096.
41. J. M. Bernal-Garcia, M. Ramos-Estrada, G. A. Iglesias-Silva, K. R. Hall, J. Chem. Eng. Data 2003, 48, 1442.
42. A. Maiti, W. L. Bourcier, R. D. Aines, Chem. Phys. Lett. 2011, 509, 25.
43. Available at http://accelrys.com/products/materials-studio/.
44. H. Sun, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 7338.
45. H. C. Andersen, J. Chem. Phys. 1980, 72, 2384.
46. P. P. Ewald, Ann. Phys. 1921, 64, 253.
47. M. P. Tosi, Solid State Phys. 1964, 16, 107.
48. S. Bishnoi, G. T. Rochelle, AIChE J. 2002, 48, 2788.
49. H. Dang, G. T. Rochelle, Sep. Sci. Technol. 2003, 38, 337.
50. L. Koziol, C. A. Valdez, S. E. Baker, E. Y. Lau, W. C. Floyd III, S. E. Wong, J. H. Satcher Jr., F. C. Lightstone, R. D. Aines, Inorg. Chem. 2012, 51, 6803.
51. R. D. Rogers, K. R. Seddon, S. Volkov, Eds. Green Industrial Applications of Ionic Liquids, NATO Science Series, Kluwer: Dordrecht, 2002.
52. T. Welton, Chem. Rev. 1999, 99, 2071.
53. J. D. Holbrey, K. R. Seddon, Clean Products Process. 1999, 1, 223.
54. J. Dupont, R. F. de Souza, P. A. Suarez, Z. Chem. Rev. 2002, 102, 3667.
55. J. Ilconich, C. Myers, H. Pennline, D. Luebke, J. Memb. Sci. 2007, 298, 41.
56. L. A. Blanchard, D. Hancu, E. J. Beckman, J. F. Brennecke, Nature 1999, 399, 28
57. L. A. Blanchard, J. F. Brennecke, Ind. Eng. Chem. Res. 2001, 40, 2550.
58. L. A. Blanchard, Z. Y. Gu, J. F. Brennecke, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 2437.
59. S. N. V. K. Aki, B. R. Mellein, E. M. Saurer, J. F. Brennecke, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 20355.
60. S. J. Zhang, X. L. Yuan, Y. H. Chen, X. P. Zhang, J. Chem. Eng. Data 2005, 50, 230.
61. M. J. Muldoon, S. N. V. K. Aki, J. L. Anderson, J. K. Dixon, J. F. Brennecke, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 9001.
62. A. M. Schilderman, S. Raeissi, C. J. Peters, Fluid Phase Equilib. 2007, 260, 19.
63. J. Kumełan, A. P.-S. Kamps, D. Tuma, G. Maurer, J. Chem. Eng. Data 2006, 51, 1802.
64. J. Kumełan, A. P.-S. Kamps, D. Tuma, G. Maurer, J. Chem. Thermodyn. 2006, 38, 1396.
65. C. Cadena, J. L. Anthony, J. K. Shah, T. I. Morrow, J. F. Brennecke, E. J. Maginn, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5300.
66. J. Deschamps, M. F. C. Gomes, A. A. H. Padua, ChemPhysChem 2004, 5, 1049.
67. B. L. Bhargava, S. Balasubramanian, Chem. Phys. Lett. 2007, 444, 242.
68. W. Shi, E. J. Maginn, J. Phys. Chem. B 2008, 112, 2045.
69. A. Maiti, P. F. Pagoria, A. E. Gash, T. Y. Han, C. A. Orme, R. H. Gee, L. E. Fried, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 5050.
70. A. Klamt, F. Eckert, M. Hornig, M. E. Beck, T. Burger, J. Comput. Chem. 2001, 23, 275.
71. K. Z. Sumon, A. Henni, Fluid Phase Equilib. 2011, 310, 39.
72. Y. S. Sistla, A. Khanna, J. Chem. Eng. Data 2011, 56, 4045.
73. M. Gonzalez-Miquel, J. Palomar, S. Omar, F. Rodriguez, Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 5739.
74. J. Palomar, M. Gonzalez-Miquel, A. Polo, F. Rodriguez, Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 3452.
75. Z. Lei, B. Chen, C. Li, Chem. Eng. Sci. 2007, 62, 3940.
76. P. Kolář, H. Nakata, J.-W. Shen, A. Tsuboi, H. Suzuki, M. Ue, Fluid Phase Equilib. 2005, 228, 59.
77. G. Soave, Chem. Eng. Sci. 1972, 27, 1197.
78. D. P. Tassios, Applied Chemical Engineering Thermodynamics; Springer-Verlag: Berlin, Germany, 1993.
79. A. Maiti, ChemSusChem 2009, 2, 628.
80. S. Mortazavi-Manesh, M. Satyro, R. A. Marriott, Can. J. Chem. Eng. 2013, 91, 783.
81. X. Zhang, Z. Liu, W. Wang, AIChE J. 2008, 54, 2717.
82. L.-C. Lin, A. Berger, R. L. Martin, J. Kim, J. A. Swisher, K. Jariwala, C. H. Rycroft, A. S. Bhown, M. W. Deem, M. Haranczyk, B. Smit, Nat. Mater. 2012, 11, 633.
83. J. Kim, A. Maiti, L.-C. Lin, J. K. Stolaroff, B. Smit, R. D. Aines, Nat. Commun. 2013, 4, 1694.
84. J. M. Slattery, C. Daguenet, P. J. Dyson, T. J. S. Schubert, I. Krossing, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 5384.
85. U. P. R. M. Preiss, J. M. Slattery, I. Krossing, Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48, 2290.
86. E. D. Bates, R. D. Mayton, I. Ntai, J. H. Davis, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 926.
87. B. E. Gurkan, J. C. de la Fuente, E. M. Mindrup, L. E. Ficke, B. F. Goodrich, E. A. Price, W. F. Schneider, J. F. Brennecke, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 2116.
88. B. E. Gurkan, B. F. Goodrich, E. M. Mindrup, L. E. Ficke, M. Masel, S. Seo, T. P. Senftle, H. Wu, M. F. Glaser, J. K. Shah, E. Maginn, J. F. Brennecke, W. F. Schneider, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3494.
89. R. Babarao, J. W. Jiang, Langmuir 2008, 24, 6270.
90. R. Babarao, J. W. Jiang, Energy Environ. Sci. 2008, 1, 139.
91. R. Krishna, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 19756.
92. R. Krishna, J. M. van Baten, J. Memb. Sci. 2010, 360, 323.
93. B. Liu, B. Smit, Langmuir 2009, 25, 5918.
94. Z. R. Herm, J. A. Swisher, B. Smit, R. Krishna, J. R. Long, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5664.
95. J. H. Lan, D. P. Cao, W. C. Wang, B. Smit, ACS Nano 2010, 4, 4225.
96. Y.-S. Bae, K. L. Mulfort, H. Frost, P. Ryan, S. Punnathanam, L.J. Broadbelt, J.T. Hupp, R.Q. Snurr, Langmuir 2008, 24, 8592.
97. B. Liu, B. Smit, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 8515.
98. A. O. Yazaydin, R. Q. Snurr, T. H. Park, K. Koh, J. Liu, M. D. LeVan, A. I. Benin, P. Jakubczak, M. Lanuza, D. B. Galloway, J. J. Low, R. R. Willis, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 18198.
99. J. Kim, L.-C. Lin, J. A. Swisher, M. Haranczyk, B. Smit, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18940.
100. K.S. Walton, A. R. Millward, D. Dubbeldam, H. Frost, J. J. Low, O. M. Yaghi, R. Q. Snurr, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 406.
101. R. Krishna, J. M. van Baten, Langmuir 2010, 26, 3981.
102. A. O. Yazaydin, A. I. Benin, S. A. Faheem, P. Jakubczak, J. J. Low, R. R. Willis, R. Q. Snurr, Chem. Mater. 2009, 21, 1425.
103. D. M. D'Alessandro, B. Smit, J. R. Long, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6058.
104. B. Smit, T. L. M. Maesen, Chem. Rev. 2008, 108, 4125.
105. T. Duren, Y.-S. Bae, R. Q. Snurr, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1237.
106. R. Krishna, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3099.
107. C. E. Powell, G. G. Qiao, J. Memb. Sci. 2006, 279, 1.
108. C. A. Scholes, S. E. Kentish, G. W. Stevens, Recent Pat. Chem. Eng. 2008, 1, 52.
109. P. J. Flory, Statistical Mechanics of Chain Molecules; Wiley: New York, 1969.
110. D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation-From Algorithms to Applications; Academic Press: San Diego, 1996.
111. A. A. Gusev, S. Arizzi, U. W. Suter, D. J. Moll, J. Chem. Phys. 1993, 99, 2221.
112. A. A. Gusev, S. Arizzi, U. W. Suter, J. Chem. Phys. 1993, 99, 2228.
113. M. L. Greenfield, D. N. Theodorou, Macromolecules 1993, 26, 5461.
114. E. Tocci, P. Pullumbi, In Membrane Engineering for the Treatment of Gases, Chapter 1;, E. Drioli, G. Barbieri, Eds.; RSC Publishing, Cambridge, UK, 2011.
115. C. M. Spadaccini, E. V. Mukerjee, S. A. Letts, A. Maiti, K. C. O'Brien, Energy Procedia 2011, 4, 731.
116. V. A. Kusuma, B. D. Freeman, M. Jose-Yacaman, H. Lin, S. Kalakkunnath, D. S. Kalika, In Advanced Membrane Technology and Applications, Chapter 35;, N. N. Li, A. G. Fane, W. S. Winston Ho, T. Matsuura, Eds.; Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2008.
117. J. Y. Park, D. R. Paul, J. Memb. Sci. 1997, 125, 23.
118. J. Bicerano, Prediction of Polymer Properties, 3rd ed.; Marcel Dekker: New York, 2002.
119. R. Recioa, L. Palacioa, P. Pradanos, A. Hernandez, A. E. Lozano, A. Marcos, J. G. de la Campa, J. de Abajob, J. Memb. Sci. 2007, 293, 22.
120. L. M. Robeson, J. Memb. Sci. 1991, 62, 165.
121. L. M. Robeson, J. Memb. Sci. 2008, 320, 390.
122. C. Myers, H. Pennline, D. Luebke, J. Iiconich, J. K. Dixon, E. J. Maginn, J. F. Brennecke, J. Memb. Sci. 2008, 322, 28.
123. J. Zhang, S. Zhang, K. Dong, Y. Zhang, Y. Shen, X. Lv, Chem. Eur. J. 2006, 12, 4021.
124. J. E. Bara, E. S. Hatakeyama, D. L. Gin, R. D. Noble, Polym. Adv. Technol. 2008, 19, 1415.
125. S. Feng, G. A. Voth, Fluid Phase Equilib. 2010, 294, 148.