Top Banner
Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced Capacity for Use in Next Generation Separation Processes Shamsur Rahman Master of Applied Science in Mechanical Engineering Bachelor of Engineering in Mechanical Engineering (Honours) This thesis is presented for the degree of Doctor of Philosophy at The University of Western Australia Department of Chemical Engineering Fluid Science and Resources Division Australian Centre for LNG Futures 2020
287

Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

May 08, 2023

Download

Documents

Khang Minh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

 

 

 

 

 

 

Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced 

Capacity for Use in Next Generation Separation Processes  

 

Shamsur Rahman 

Master of Applied Science in Mechanical Engineering Bachelor of Engineering in Mechanical Engineering (Honours) 

 

This thesis is presented for the degree of  

Doctor of Philosophy  

at 

The University of Western Australia 

 

 

Department of Chemical Engineering 

Fluid Science and Resources Division 

Australian Centre for LNG Futures 

2020

Page 2: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

 

PhD Thesis   Shamsur Rahman  1 

Summary 

The use of natural gas, the cleanest fossil fuel, continues to grow for global energy production with 

increasing environmental concerns and stricter regulations on carbon emissions. For a large fraction 

of transcontinental trade, natural gas  is transported  in tankers as  liquefied natural gas (LNG). Since 

CO2 can freeze at low temperatures during the liquefaction process and excessive N2 content in the 

LNG can lead to hydrostatic instabilities, both N2 and CO2 concentrations must be reduced significantly 

(CO2<50 ppmv and N2<1 mol%) from their typical levels (e.g. 10 % CO2 and 5+ % N2) in the feed gas to 

an LNG plant. The conventional method used to remove CO2 from natural gas involves absorption by 

aqueous  amine  solutions,  which  is  an  energy‐intensive  process  requiring  high  temperatures  to 

regenerate  the amine  solvents. Nitrogen  is generally  removed  from natural gas by  the process of 

cryogenic distillation, which is also energy intensive and only cost effective at large scales. Alternative 

separation processes are  sought by  the natural gas  industry  to more efficiently handle  these  key 

impurities. 

Pressure  swing adsorption  (PSA)  is a promising  technology  that  is both cost‐effective and energy‐

efficient  and  can  potentially  replace  amine  absorption  and  cryogenic  distillation  as  separation 

processes  for CO2 and N2,  respectively,  in LNG production. However,  this  technology  relies on  the 

availability of adsorbents with high capacity and selectivity for the target gas molecules specific to the 

separation application and the gas mixture being considered. Zeolites and activated carbon are two 

of the common materials used as adsorbents in PSA cycles. These conventional materials are limited 

in their ability to achieve the required separations because their selectivities and/or capacities are 

usually  insufficient  for  cost‐effective use  in  large‐scale  separations. To overcome  this  limitation, a 

novel zeolite‐based adsorbent, with significantly enhanced adsorption capacity, was developed from 

a commercially available variant of a faujasite type zeolite Y. 

 

Page 3: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  2 

The synthesis procedure involved treating zeolite powder, premixed with 10% by mass of activated 

carbon,  in  an  alkaline medium which  caused  an  expansion of  the  intra‐crystalline  zeolite  cavities 

through desilication leading to a gain in pore volume. This expansion is likely to allow a larger number 

of  gas molecules  to  be  accommodated  inside  the  zeolite  and  provide  favourable  conditions  for 

multilayer adsorption. The role of the exterior carbon layer is to possibly facilitate in keeping the gas 

molecules entrapped  inside the adsorbent material and prevent from exiting at high pressure. The 

resulting material,  termed  a  carbon  enhanced  zeolite  (CEZ),  demonstrated  a  265%  gain  in  pure 

component isothermal N2 adsorption capacity compared to the parent zeolite at 35 bar and 30 °C. 

Flexible porous materials, in particular some metal‐organic frameworks (MOFs), have been reported 

to have very high selectivity for CO2/CH4 mixtures and are therefore widely considered as potential 

adsorbents  for  removal of CO2 from natural gas using PSA.   Despite  their high  selectivity, a major 

obstacle  that  remains  in  designing  a  separation process using  these  advanced  adsorbents  is  that 

classical isotherm models such as the Langmuir, Toth and the BET models are unable to quantify the 

adsorption  isotherms  of  these  materials,  especially  along  the  part  of  the  isotherm  curve  that 

corresponds  to  structural  transitions.  A  novel  isotherm  model  was  therefore  developed  to 

accommodate these distinctly shaped isotherms exhibited by flexible adsorbents. 

The model  was  successfully  regressed  to  both  adsorption  and  desorption  branches  of  stepped‐

isotherms using a wide range of experimental data from the literature as well as measurements taken 

at the laboratory over a wide range of temperatures from 233 K – 323 K. The model parameters were 

physically meaningful with uncertainties usually several orders of magnitude lower than the regressed 

values.  It was  also  shown  that  the model  can  be  used  to  quantify  the  onset  and magnitude  of 

hysteresis in flexible adsorbents as a function of both pressure and temperature. Finally, the functional 

form was incorporated in a commercial simulation software as an isotherm model and PSA cycles to 

predict  the  performance  of  a  well‐known  flexible  MOF  in  separating  a  CH4/CO2  mixture  were 

successfully executed. 

Page 4: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  3 

To summarize, this research project has made two key contributions, involving material development 

and numerical modelling, to the field of adsorptive separation of gas mixtures. By developing carbon 

enhanced zeolite as an adsorbent with significantly enhanced N2 and CH4 adsorption capacities, the 

experimental results of  this project open new doors to synthesis of  low‐cost high capacity zeolite‐

based adsorbents with applications not only in gas separation but also in gas storage. The pressure‐

induced  LJM model, on  the other hand,  enables process  simulations with high‐selectivity  flexible 

adsorbents and is a major step forward towards the design of separation processes that can make full 

use of the selective properties of these materials. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 5: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  4 

Thesis Declaration 

I, Shamsur Rahman, certify that: 

This thesis has been substantially accomplished during enrolment in the degree. 

This thesis does not contain material which has been submitted for the award of any other degree or 

diploma in my name, in any university or other tertiary institution. 

No part of this work will, in the future, be used in a submission in my name, for any other degree or 

diploma in any university or other tertiary institution without the prior approval of The University of 

Western Australia and where applicable, any partner institution responsible for the joint‐award of this 

degree. 

This thesis does not contain any material previously published or written by another person, except 

where due reference has been made in the text and, where relevant, in the Declaration that follows. 

The work(s) are not  in any way a violation or  infringement of any copyright, trademark, patent, or 

other rights whatsoever of any person. 

This thesis contains published work and/or work prepared for publication, some of which has been 

co‐authored. 

 

 

 

25/05/2020 

 

 

Page 6: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  5 

Authorship Declaration 

This thesis contains published work and work prepared for publication.  

The content of Appendix C has been published in the following refereed journal: 

Du, T., Fang, X., Liu, L., Shang, J., Zhang, B., Wei, Y., Gong, H., Rahman, S., May, E.F., Webley, P.A. and 

Li, G.K., 2018. An optimal trapdoor zeolite for exclusive admission of CO2 at industrial carbon capture 

operating temperatures. Chemical Communications, 54(25), pp.3134‐3137. 

My contribution to the above publication was limited to: equipment procurement and maintenance, 

implementing upgrades to the experimental apparatus, setting up and running experiments, and data 

analysis and interpretation. 

Co‐author signatures: 

Tao Du:   ____ ____ Date: _______________________ 

Xin Fang:  ____ ____ Date: _______________________ 

Liying Liu:  ____ ____ Date: _______________________ 

Jin Shang:  ____ ____ Date: _______________________ 

Bin Zhang:  ____ ____ Date: _______________________ 

Yichao Wei:  ____ ____ Date: _______________________ 

He Gong:  ____ ____ Date: _______________________ 

Paul A. Webley: ____ ____ Date: _______________________ 

Gang (Kevin) Li: ____ ____ Date: _______________________ 

26/05/2020

26/05/2020

26/05/2020

26/05/2020

26/05/2020

26/05/2020

Page 7: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  6 

The content of Appendix D has been submitted to the following refereed journal for publication:  

Shamsur Rahman, Arash Arami‐Niya, Xiaoxian Yang, Gongkui Xiao, Gang (Kevin) Li and Eric F. May, 

2020. Temperature Dependence of Adsorption Hysteresis in Flexible Metal Organic Frameworks. 

Communications Chemistry, Submitted.  

The above manuscript is based predominantly on the work presented in Chapter 2 of this thesis. 

Co‐author signatures: 

Arash Arami‐Niya:  _ _ Date: _______________________ 

Xiaoxian Yang:    _ _ Date: _______________________ 

Gongkui Xiao:    _ _ Date: _______________________ 

Gang (Kevin) Li:   _ _ Date: _______________________ 

Student signature 

Shamsur Rahman: Date: 25/05/2020 

Coordinating Supervisor signature 

Eric F. May: ____ ____ Date: _______________________ 

Page 8: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  7 

Table of Contents  

Summary ................................................................................................................................................. 1 

Thesis Declaration ................................................................................................................................... 4 

Authorship Declaration ........................................................................................................................... 5 

List of Figures ........................................................................................................................................ 11 

List of Tables ......................................................................................................................................... 23 

Acknowledgements ............................................................................................................................... 26 

Chapter 1 Introduction and Motivation ................................................................................................ 27 

1.1 The rise of natural gas as a fuel ...................................................................................................... 27 

1.1.1 Natural gas in Australia ............................................................................................................ 29 

1.1.2 Environmental regulations ....................................................................................................... 30 

1.2 The challenge of separating gas mixtures ....................................................................................... 31 

1.3 Adsorptive separation ..................................................................................................................... 33 

1.3.1 The need for adsorbents with high capacity ............................................................................ 34 

1.3.2 The need for adsorbents with high selectivity ......................................................................... 35 

1.3.3 The need for reliable isotherm models .................................................................................... 36 

1.4 The objectives of this research ....................................................................................................... 37 

Chapter 2 Structural Transitions in Metal Organic Frameworks .......................................................... 40 

Foreword ........................................................................................................................................... 40 

2.1 Introduction .................................................................................................................................... 40 

2.2 Development of the pressure‐induced LJM model ........................................................................ 43 

2.3 Modelling stepped breathing isotherms ......................................................................................... 44 

2.3.1 CH4 on Fe(bdp) ......................................................................................................................... 45 

2.3.2 A thermodynamic model for hysteresis ................................................................................... 51 

2.3.3 CH4 on Co(bdp) ......................................................................................................................... 55 

2.4 Experimental work .......................................................................................................................... 56 

2.4.1 Hysteresis in non‐breathing adsorbents .................................................................................. 61 

2.5 Further modelling ........................................................................................................................... 63 

2.5.1 CO2 on mmen‐Fe2(dobpdc) and mmen‐Co2(dobpdc) .............................................................. 63 

2.5.2 CO2 on amino‐MIL‐53(Al) ......................................................................................................... 64 

2.6 Process simulation .......................................................................................................................... 66 

2.6.1 Pressure swing adsorption simulation of an equimolar CH4/CO2 mixture .............................. 67 

2.7 Concluding remarks ........................................................................................................................ 72 

Chapter 3 Effect of Structural Manipulations on Selectivity and Capacity of Zeolite Y ........................ 74 

Page 9: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  8 

3.1 Introduction .................................................................................................................................... 74 

3.2 Zeolite structures ............................................................................................................................ 75 

3.2.1 Role of the cation on the adsorption mechanism ................................................................... 76 

3.2.2 Ionic Liquidic Zeolites (ILZs) ..................................................................................................... 78 

3.2.3 Organic cations ........................................................................................................................ 79 

3.2.4 Synthesis of TMAY .................................................................................................................... 79 

3.3 Characterisation of existing zeolite‐based adsorbents ................................................................... 82 

3.3.1 Adsorption measurements ...................................................................................................... 82 

3.3.2 Effect of Si/Al ratio ................................................................................................................... 83 

3.3.3 Regression to isotherm models ............................................................................................... 85 

3.3.4 TMAY vs parent zeolite ............................................................................................................ 89 

3.3.5 Effect of degassing ................................................................................................................... 90 

3.4 Novel zeolite‐based adsorbents ...................................................................................................... 91 

3.4.1 Synthesis .................................................................................................................................. 91 

3.4.2 Effect of intermediate cations ................................................................................................. 92 

3.4.3 Effect of alkalinity .................................................................................................................... 94 

3.4.4 Effect of H+ cation .................................................................................................................... 96 

3.5 Novel carbon‐based adsorbents ..................................................................................................... 98 

3.5.1 Acid functionalisation ............................................................................................................ 102 

3.5.2 Acid base reaction approach .................................................................................................. 107 

3.5.3 Alkaline treatment ................................................................................................................. 109 

3.5.4 APS functionalisation ............................................................................................................. 110 

3.5.6 Carbon Enhanced Ionic Liquidic Zeolites ............................................................................... 112 

3.6 Concluding remarks ...................................................................................................................... 114 

Chapter 4  Carbon Enhanced Zeolite .................................................................................................. 116 

4.1 Introduction .................................................................................................................................. 116 

4.2 Synthesis ....................................................................................................................................... 117 

4.3 Characterisation ............................................................................................................................ 118 

4.3.1 Chemical composition ............................................................................................................ 118 

4.3.2 X‐ray Diffraction ..................................................................................................................... 119 

4.3.3 Surface area and pore volume ............................................................................................... 120 

4.3.4 Sorption experiments ............................................................................................................ 121 

Enhancement in N2 adsorption capacity ..................................................................................... 122 

Enhancement in CH4 adsorption capacity ................................................................................... 123 

Selectivity .................................................................................................................................... 125 

4.4 Possible mechanism ...................................................................................................................... 125 

Page 10: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  9 

4.5 Further characterisation ............................................................................................................... 130 

4.5.1 Scanning Electron Microscopy (SEM) .................................................................................... 130 

4.5.2 Scanning Transition Electron Microscopy (STEM) ................................................................. 132 

4.5.3 Pore size distribution ............................................................................................................. 133 

4.6 Concluding remarks ...................................................................................................................... 135 

Chapter 5 Conclusions and Future Research ...................................................................................... 136 

5.1 Conclusions ................................................................................................................................... 136 

5.2 Recommendations for future research ......................................................................................... 139 

Appendices .......................................................................................................................................... 140 

Appendix A .......................................................................................................................................... 141 

A1 ‐ Development of the pressure‐induced LJM model ................................................................. 141 

A2 ‐ Parameters for the pressure‐induced LJM model ................................................................... 144 

A3 ‐ Summary of best‐fit parameters of the pressure‐induced LJM model and their associated 

statistical uncertainties ................................................................................................................... 145 

A4 ‐ Residual plots ........................................................................................................................... 146 

A5 ‐ Simulation of the dynamic breakthrough of an equimolar CO2/CH4 mixture ......................... 148 

A6 ‐ Regression of CH4 and CO2 adsorption isotherms on Zeolite 13X using the Toth Isotherm 

model .............................................................................................................................................. 151 

A7 ‐ Simulation parameters ............................................................................................................ 151 

Appendix B .......................................................................................................................................... 154 

B1 ‐ Effect of carbon‐content .......................................................................................................... 154 

B2 ‐ Effect of NaOH concentration ................................................................................................. 155 

B3 ‐ Toth fittings .............................................................................................................................. 156 

B4 – Pore size distribution (based on pore volume) ....................................................................... 159 

B5 – High resolution TEM images ................................................................................................... 160 

Appendix C .......................................................................................................................................... 164 

C1 ‐ Foreword .................................................................................................................................. 164 

C2 ‐ The Quest for a Trapdoor Zeolite for Exclusive Admission of CO2 at Industrial Working 

Temperatures .................................................................................................................................. 164 

CS ‐ Supporting Information (SI) ..................................................................................................... 173 

CS1 ‐ Experimental section ......................................................................................................... 173 

CS2 ‐ Characterisations ............................................................................................................... 173 

CS3 ‐ DFT calculations ................................................................................................................. 174 

CS4 ‐ Multicomponent breakthrough experiments .................................................................... 177 

Appendix D .......................................................................................................................................... 178 

D1 ‐ Foreword ................................................................................................................................. 178 

Page 11: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  10 

D2 ‐ Temperature Dependence of Adsorption Hysteresis in Flexible Metal Organic Frameworks 178 

DS ‐ Supporting Information (SI) ..................................................................................................... 190 

DS1 ‐ Derivation of the LJMY model for stepped sorption isotherms ........................................ 190 

DS2 ‐ Results of LJMY‐Langmuir model regression to MOF isotherm data ................................ 193 

DS3 ‐ Measurements of CO2 sorption on ZIF‐7 ........................................................................... 201 

DS4 ‐ Temperature dependence and hysteresis of structural transition parameters ................ 206 

DS5 ‐ Pressure Vacuum Swing Adsorption simulation of a CH4/CO2 mixture with ZIF‐7 ............ 209 

Appendix E .......................................................................................................................................... 215 

E1 – Data table for experimental data presented in Figure 2.1 and Figure 2.13 ............................ 215 

E2 – Data table for experimental data presented in Figure 2.3...................................................... 218 

E3 – Data table for experimental data presented in Figure 2.8...................................................... 226 

E4 – Data table for experimental data presented in Figure 2.9 and Figure 2.10 ............................ 232 

E5 – Data table for experimental data presented in Figure 2.11 ................................................... 238 

E6 – Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 3 .................................. 244 

E7 – Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 4 .................................. 264 

References .......................................................................................................................................... 278 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 12: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  11 

List of Figures  

Figure  1.1.  Comparison  of  growth  of  natural  gas  consumption  and  production  in  2018 with  the 

previous 10‐year average annual growth rate and the major countries which contributed to the growth 

[1]. ......................................................................................................................................................... 27 

Figure 1.2. Comparison of the historical and projected use of different fuels to generate electricity in 

the US from 2010 – 2050 [3]. ................................................................................................................ 28 

Figure 1.3. LNG export projects  in operation  in Western Australia since 2015 and the growth  in the 

state’s annual LNG export capacity in million tonnes [5]. .................................................................... 29 

Figure 1.4. Conventional gas processing operations  in a  typical natural gas plant with a  cryogenic 

process for liquefied natural gas production. MCHE = main cryogenic heat exchanger [12]. ............. 31 

Figure 1.5. (a) Schematic representation of a two‐bed cyclic adsorption process with (b) pressure swing 

adsorption (PSA) and temperature swing adsorption (TSA) cycles shown on a typical isotherm [12]. 34 

Figure 2.1. Deviation of the classical Toth model from isothermal experimental data [60] at 303K for 

the adsorption of (a) CO2 and (b) CH4 on amino‐MIL‐53 (Al). ............................................................... 42 

Figure 2.2. 3D depiction of (a) solid‐state structure of the collapsed phase of Fe(bdp) under vacuum at 

298K and (b) idealized average solid‐state structure of the expanded phase of Fe(bdp) under 50 bar 

pressure at 298K [48]. ........................................................................................................................... 46 

Figure 2.3. Demonstration of the pressure‐induced LJM model’s ability to quantify breathing isotherms 

for CH4  (a) adsorption and  (b) desorption on Fe(bdp) at seven temperatures reported  in reference 

[48]. Solid and hollow symbols denote, respectively, adsorption and desorption experimental data. 

Solid curves represent the pressure‐induced LJM model. .................................................................... 47 

Page 13: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  12 

Figure 2.4.  Plots of P0 vs. temperature for adsorption (breathing‐in) and desorption (breathing‐out). 

The plots indicate that P0 = f (t) is linear for this data set. The two straight lines through the plots meet 

at a point, where  the breathing‐in  transition pressure, P0,ads, becomes equal  to  the breathing‐out 

transition pressure, P0,des. ..................................................................................................................... 49 

Figure 2.5. (a) – (e) Adsorption and desorption isotherms for CH4 on Fe(bdp) at temperatures of (a) 

323K, (b) 248K obtained from the fitting to experimental data and (c) 175K, (d) 115K, and (e) 100K 

projected by the pressure‐induced LJM model. The adsorption and desorption transition pressures, 

P0,ads and P0,des   are shown  in (a) where they are farthest apart and (d) where they are equal at the 

point of intersection. (f) Area enclosed by each pair of adsorption and desorption isotherms calculated 

graphically for each of the temperatures shown in (a) – (e) plus four additional temperatures. ........ 50 

Figure 2.6. Energy paths followed during adsorption/desorption cycles when (a) T ≤ Ti where hysteresis 

is at its low asymptote as the energy paths during adsorption and desorption are closest to each other, 

(b) T > Ti giving  rise  to hysteresis as  the energy path during adsorption  is  longer  than  that during 

desorption and (c) T >> Ti where the effect of hysteresis is larger as the difference between the energy 

paths during adsorption and desorption are greater. .......................................................................... 53 

Figure 2.7. 3D depiction of the solid‐state transformation of Co(bdp) from collapsed phase at 0 bar 

(Low  4) to expanded phase at 30 bar  (High  4) [48]. ............................................................. 55 

Figure 2.8. The pressure‐induced LJM model regressed on isothermal (a) adsorption and (b) desorption 

of CH4 on Co(bdp). Experimental data has been collected from reference [48]. The model’s ability to 

quantify breathing isotherms at all five reported temperatures is demonstrated for both (a) adsorption 

and (b) desorption where solid and hollow symbols denote experimental data and the solid curves 

represent the pressure‐induced LJM model. (c) Plots for ln (P0) vs. 1/T for adsorption (breathing‐in) 

and desorption (breathing‐out) showing that both sets of points fall on a straight line and justifying 

Page 14: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  13 

the use of the Clausius‐Clapyron equation and predicting the existence of a point where P0,ads = P0,des.

 .............................................................................................................................................................. 56 

Figure 2.9.  The pressure‐induced LJM model regressed on low pressure isothermal (a) adsorption and 

(b)  desorption  of  CO2  on  ZIF‐7.  Measurements  were  made  using  a  Micromeritics  ASAP2020 

instrument. (c) Clausius‐Clapyron plots for ln (P0) vs. 1/T for isothermal adsorption (breathing‐in) and 

desorption (breathing‐out) of CO2 on ZIF‐7 between 233K and 247K showing that both sets of points 

fall on a straight line and predicting the existence of a point where P0,ads = P0,des. ............................... 59 

Figure 2.10.  (a) –  (d) Results of adsorption/desorption experiments of CO2 on ZIF‐7  illustrating  the 

diminishing effect of hysteresis with decreasing temperature. The area between the adsorption and 

desorption isotherms can be used as a measure of hysteresis at each temperature. (e) Area enclosed 

by each pair of adsorption and desorption  isotherms calculated graphically for temperatures up to 

283K. ..................................................................................................................................................... 61 

Figure  2.11.  Demonstration  of  the  pressure‐induced  LJM  model’s  ability  to  quantify  breathing 

isotherms for the adsorption of CO2 on (a) mmen‐Fe2(dobpdc) and (b) mmen‐CO2(dobpdc) at three 

temperatures  reported by McDonald et al  [64]. Solid symbols denote experimental data and solid 

curves represent the pressure‐induced LJM model. ............................................................................ 64 

Figure 2.12. 3D structure of amino‐MIL‐53(Al) in (a) np and (b) lp phases. Color legend – yellow: Al, 

red: O, gray: C, and blue: N [80]. .......................................................................................................... 65 

Figure 2.13. Demonstration of the pressure‐induced LJM model’s ability to quantify double‐stepped 

breathing  isotherms  for  CO2  (a)  adsorption  and  (b)  desorption  on  amino‐MIL‐53(Al)  at  two 

temperatures reported  in reference [60]. Solid symbols denote experimental data, and solid curves 

represent the pressure‐induced LJM model. ........................................................................................ 66 

Page 15: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  14 

Figure 2.14. Illustration of CO2 and CH4[ [(a) and (b) respectively] isothermal working capacity of amino‐

MIL‐53 (Al) for a PSA cycle swing pressure of 6.4 – 20 bar that corresponds to the adsorbent’s CO2 

breathing region. Zeolite 13X has a much smaller CO2 working capacity[(c)] in the same pressure range 

and also a  lower CH4 working capacity[(d)]. Hence, under  identical conditions, amino‐MIL‐53 (Al)  is 

expected to produce superior CO2/CH4 separation performance compared to Zeolite 13X when used 

as an adsorbent in a PSA process.......................................................................................................... 70 

Figure 2.15. Comparison between amino‐MIL‐53(Al) and Zeolite 13X as adsorbents used in a two‐bed 

PSA simulation with an equimolar CH4/CO2 feed. Variation in product stream composition with time 

show  that  a  far  superior  separation performance  can be  achieved using  amino‐MIL‐53(Al)  as  the 

adsorbent. The pressure‐induced  LJM model was used as  the  isotherm model  to  characterise  the 

adsorbent bed for amino‐MIL‐53(Al) while the classical Toth model was used for Zeolite 13X. ......... 71 

Figure 3.1. Framework of (a) zeolite X/Y and (b) zeolite A [25]. ........................................................... 76 

Figure 3.2.  Structure of Tetramethylammonium Chloride (TMA‐Cl) [94]. ........................................... 80 

Figure  3.3.  (a)  Structure  of  Faujasite  zeolite  NaX/NaY  [89].  (b)  Structure  of  TMA‐X  or  TMA‐Y 

synthesised through ion exchange [95]. ............................................................................................... 80 

Figure 3.4. Micromeritics ASAP 2020 used for single component adsorption analyses. ..................... 82 

Figure  3.5. Adsorption  isotherms  at  different  temperatures  for  TMAY  –  (a)  CBV100 with  CH4,  (b) 

CBV720 with CH4, (c) CBV100 with N2 and (d) CBV720 with N2. ........................................................... 84 

Figure 3.6. The Langmuir isotherm model (line) fitted to adsorption data (circles) at ‐15 °C, 0 °C and 30 

°C for TMAY – (a) CBV100 with CH4, (b) CBV720 with CH4, (c) CBV100 with N2 and (d) CBV720 with N2.

 .............................................................................................................................................................. 86 

Page 16: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  15 

Figure 3.7. Adsorption isotherms of TMAY and parent zeolite NaY at (a) 0 °C with CH4, (b) 0 °C with N2, 

(c) 30 °C with CH4 and (d) 30 °C with N2................................................................................................ 90 

Figure 3.8. Adsorption isotherms of degassed and not degassed TMAY at (a) 0 °C with CH4, (b) 30 °C 

with CH4. ............................................................................................................................................... 91 

Figure 3.9. (a) Shaking water bath used for synthesis temperatures below 90 °C (b) Teflon autoclave 

and electric hotplate used for synthesis temperatures above 90 °C. ................................................... 92 

Figure 3.10. Adsorption isotherms of TMAY, TMA‐Mg‐Y and NaY at (a) 0 °C with CH4, (b) 0 °C with N2, 

(c) 30 °C with CH4, and (d) 30 °C with N2. .............................................................................................. 93 

Figure 3.11. Adsorption isotherms of TMAY, TMA‐Base‐Y and NaY at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with 

N2. .......................................................................................................................................................... 94 

Figure 3.12. Adsorption isotherms of TMAY, TMAOH‐NaY and NaY at (a) 0 °C with CH4, (b) 0 °C with N2, 

(c) 30 °C with CH4, and (d) 30 °C with N2. .............................................................................................. 96 

Figure 3.13. Adsorption isotherms of TMAY, TMAOH‐HY600 and TMAOH‐HY400 at (a) 0 °C with CH4,  

and (b) 0 °C with N2. .............................................................................................................................. 97 

Figure 3.14. Adsorption isotherms of TMAY and TMAOH‐HY400 at (a) 30 °C with CH4 and (b) 30 °C with 

N2. .......................................................................................................................................................... 98 

Figure 3.15. Diagram showing mesoporous zeolite templated by (a) carbon nanoparticles, (b) carbon 

nanotubes, (c) carbon aerogel and (d) 3D ordered mesoporous 3DOm carbon [31]. ....................... 100 

Figure 3.16. Schematic showing the influence of Si/Al ratio on the desilication effect of MFI zeolites 

treated in NaOH solution and the associated mechanism of mesopore formation  [103]. ............... 101 

Figure 3.17. Adsorption  isotherms of carbon  (activated carbon Norit RB3), Acid‐Carbon1 and TMA‐

Carbon1 at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. .............................................................................. 104 

Page 17: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  16 

Figure 3.18. Adsorption  isotherms of carbon  (activated carbon Norit RB3), Acid‐Carbon2 and TMA‐

Carbon2 at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. .............................................................................. 104 

Figure 3.19. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3) and TMA‐Carbon3 at (a) 0 

°C with CH4 and (b) 0 °C with N2. ........................................................................................................ 106 

Figure 3.20. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3) and TMA‐Carbon4 at (a) 0 

°C with CH4 and (b) 0 °C with N2. ........................................................................................................ 107 

Figure 3.21. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3) and TMA‐AcidBaseCarbon 

at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. ............................................................................................ 109 

Figure 3.22. Adsorption isotherms of activated carbon and Base‐Carbon at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 

°C with N2. ........................................................................................................................................... 110 

Figure  3.23.  Schematic  showing  pore  opening  of  functionalised  carbon  surface  under  increased 

oxidation temperature and duration [108]. ....................................................................................... 111 

Figure 3.24. Adsorption isotherms of activated carbon, TMA‐APS‐Carbon, and APS‐Carbon at (a) 0 °C 

with CH4 and (b) 0 °C with N2. ............................................................................................................. 112 

Figure 3.25. Adsorption  isotherms of activated carbon, Carbon‐E‐TMAY1, TMAY and NaY at (a) 0 °C 

with CH4, (b) 0 °C with N2, (c) 30 °C with CH4 and (d) 30 °C with N2. .................................................. 113 

Figure 4.1. Results of Thermogravimetric analysis conducted on (a) NaY, (b) C‐R2030 and (c) CEZ. The 

red line shows the change in mass of the sample with the corresponding change in temperature (blue 

line). .................................................................................................................................................... 119 

Figure 4.2. X‐ray Diffraction (XRD) patterns for NaY and CEZ. ............................................................ 120 

Page 18: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  17 

Figure 4.3. Setup of the Sieverts apparatus used to conduct high pressure sorption experiments. The 

sample cell is wrapped in aluminium foil for insulation and submerged into the temperature control 

bath during experiments to maintain isothermal conditions, as shown in the inset. ........................ 122 

Figure 4.4. Single component N2 adsorption  isotherms  for CEZ, C‐R2030 and NaY obtained using a 

custom‐built computer‐controlled Sieverts apparatus under isothermal conditions at (a) 0 °C, (b) 15 °C 

and (c) 30 °C. ....................................................................................................................................... 123 

Figure 4.5. Single component CH4 adsorption  isotherms for CEZ, C‐R2030 and NaY obtained using a 

custom‐built computer‐controlled Sieverts apparatus under isothermal conditions at (a) 0 °C, (b) 15 °C 

and (c) 30 °C. ....................................................................................................................................... 124 

Figure 4.6. A model of the Faujasite unit cell. Near the centre of each line segment is an oxygen atom. 

Silicon and aluminium atoms alternate at the tetrahedral intersections, except that Si substitutes for 

Al at about 4% of the Al positions. Exchangeable cations are found in site I at the centre of a D6R ; site 

II at the centre of the S6R, or displaced from this point into a supercage; sites I’ and II’ lie in the sodalite 

cavity, on the opposite sides of the corresponding six‐rings from sites I and II, respectively; site III on 

a twofold axis opposite a four‐ring  inside the supercage and site  III’ off site  III. The eighth sodalite 

cavity was removed from this diagram for simplicity and it is orthogonal to the surface of this paper. 

Both figure and caption text are from Ahmed et al. [119]. ................................................................ 126 

Figure  4.7.  Schematics  showing  (a)  the  arrangement  of  Faujasite  frameworks  in  a  typical  regular 

pyramid‐shaped NaY particle and (b) the relative size of N2 molecules and a path through which they 

can enter the supercage in order to be adsorbed. Only monolayer adsorption is possible as volume 

inside the cage is insufficient to accommodate additional molecules for multilayer adsorption. ..... 127 

Figure 4.8. Schematic showing (a) possible effect of NaOH treatment on the pore structure within a 

regular pyramid‐shaped NaY particle when no carbon  is added. Material  is removed by desilication 

causing a series of walls  in between  the supercages  to be washed away,  joining  together multiple 

Page 19: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  18 

supercages to create a significantly wider cavity with larger pore volume and smaller surface area. (b) 

Schematic showing the passage of gas molecules through zeolite cavities in absence of exterior walls.

 ............................................................................................................................................................ 128 

Figure 4.9. Schematic showing (a) the effect of NaOH treatment when the zeolite  is premixed with 

carbon which causes the exterior of the zeolite particle to be possibly enclosed by porous carbon and 

(b) multilayer adsorption  taking place  inside  the  zeolite cavity as  the exterior carbon  film enables 

additional molecules to become trapped inside the enlarged cavity. ............................................... 129 

Figure 4.10. SEM  image of NaY. The texture of the particles  is clean and smooth with sharp edges. 

Pyramid‐shaped particles typical of zeolite Y can be clearly identified. ............................................. 131 

Figure 4.11. SEM  image of CEZ. The surface has become rough and coarse with terrains created by 

desilication. Particles appear to be stacked on top of each other. Pyramid‐shaped particles can still be 

detected. ............................................................................................................................................. 131 

Figure 4.12. STEM image of CEZ with (a) no EDS mapping as well as EDS mapping for (b) C, (c) Si, (d) Al, 

(e) Na and (f) O. Dark green areas in image (b) are more around the exterior of the particles confirming 

that CEZ particles are surrounded by carbon. .................................................................................... 133 

Figure 4.13. Pore size distribution based on surface area of CEZ, NaY and C‐R2030. ........................ 134 

Figure A1. Distribution of unit cells within the MOF structure. When the pressure is (a) greater than 

the breathing pressure, more unit cells are in an expanded state than in the collapsed state, i.e, 0.5 

< ΦP (P > P0)   ≤ 1, (b) equal to the breathing pressure, number of unit cells  in expanded state is the 

same as the number of unit cells  in collapsed state,  i.e., ΦP (P = P0)   = 0.5, and (c) smaller than the 

breathing pressure, fewer unit cells are in expanded state than in collapsed state, i.e, 0 ≤ ΦP (P < P0)  < 

0.5. ...................................................................................................................................................... 143 

Page 20: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  19 

Figure A2. Residuals  (nmeas  ‐ ncalc) of  the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental 

data for the adsorption of CH4 on febdp reported by Mason et al. [48]. ........................................... 146 

Figure A3. Residuals  (nmeas  ‐ ncalc) of  the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental 

data for the desorption of CH4 on febdp reported by Mason et al. [48]. ........................................... 146 

Figure A4. Residuals  (nmeas  ‐ ncalc) of  the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental 

data for the adsorption of CH4 on cobdp reported by Mason et al. [48]. .......................................... 147 

Figure A5. Residuals  (nmeas  ‐ ncalc) of  the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental 

data for the desorption of CH4 on cobdp reported by Mason et al. [48]. .......................................... 147 

Figure A6. Deviation  of  the  Toth model  from  the  pressure‐induced  LJM model  in  comparison  to 

measured  isothermal data at 303K for the adsorption of amino‐MIL‐53 (Al) on (a) CO2 and (b) CH4.

 ............................................................................................................................................................ 148 

Figure A7. Comparison between the classical Toth model and the pressure‐induced LJM model used 

as  isotherm models  in ASPEN Adsorption  for  performing  column  breakthrough  simulations  of  an 

equimolar CO2/CH4 mixture using amino‐MIL‐53 (Al)  as the adsorbent at 303K with a feed pressure of 

(a) 1.013 bar, (b) 11 bar and (c)  30 bar. ............................................................................................. 150 

Figure A8. The Toth  isotherm model  regressed  to  (i) CH4 and  (ii) CO2 adsorption data  reported by 

Cavenati et al. [81]. Symbols denote experimental data and curves represent the Toth model. ...... 151 

Figure B1. Effect of carbon‐content. ................................................................................................... 154 

Figure B2. Effect of NaOH concentration. ........................................................................................... 155 

Figure B3. Toth Fitting of CEZ on N2. ................................................................................................... 156 

Figure B4. Toth Fitting of C‐R2030 on N2. ........................................................................................... 157 

Page 21: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  20 

Figure B5. Toth Fitting of NaY on N2. .................................................................................................. 157 

Figure B6. Toth Fitting of CEZ on CH4. ................................................................................................. 158 

Figure B7. Toth Fitting of C‐R2030 on CH4. ......................................................................................... 158 

Figure B8. Toth Fitting of NaY on CH4. ................................................................................................ 159 

Figure B9. Pore size distribution based on pore volume of CEZ, NaY and C‐R2030. .......................... 160 

Figure B10. TEM image of CEZ. ........................................................................................................... 161 

Figure B11. TEM image of CEZ. ........................................................................................................... 161 

Figure B12. High Resolution TEM image of CEZ. ................................................................................. 162 

Figure B13. High Resolution TEM image of CEZ. ................................................................................. 162 

Figure B14. High Resolution TEM image of CEZ. ................................................................................. 163 

Figure B15. High Resolution TEM image of CEZ. ................................................................................. 163 

Figure C1.  (a) The 8MR and door‐keeping potassium  cation movement during CO2 adsorption.  (b) 

Energy profiles for the potassium cation of r1KCHA and r3KCHA. (c) SEM images for r1.9KCHA. (d) XRD 

patterns of raw fly ash, intermediate and resultant r1.9CHA. (The scales of the atoms in this illustration 

are not in portion). .............................................................................................................................. 167 

Figure C2. CO2, N2 and CH4 adsorption isotherms on r1.9KCHA at (a) 273, (b) 303 and (c) 333 K, and (d) 

breakthrough curve for r1.9KCHA at 348 K and total pressures of 1 bar. .......................................... 170 

Figure CS1. SEM micrograph of fly ash. .............................................................................................. 174 

Figure CS2. Isobar of as‐synthesized r1.9KCHA at 0.5 bar. ................................................................. 174 

Page 22: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  21 

Figure CS3. 3D structures of chabazite. .............................................................................................. 176 

Figure CS4. Structure  changes of potassium  chabazite  systems of  r1KCHA and  r3KCHA during CO2 

adsorption process. The migration of the door‐keeping potassium cation (marked by the white cross) 

at different steps was tracked to elucidiate the pore opening procedure in these two types of trapdoor 

chabazites with different cation density. ............................................................................................ 176 

Figure D1. Exemplar hysteretic sorption isotherms for CH4 on the MOFs (a) Fe(bdp) and (b) Co(bdp) 

measured by Mason et al.[48] , illustrating the key parameters in eq (D1). ...................................... 180 

Figure D2.  Transition pressure ptr  (a,  c)  and  transition width, ,  (b, d)  vs  temperature,  T,  for  the 

sorption of CH4 on Fe(bdp) and Co(bdp) extracted from the data of Mason et al [48] with eq (D1). 

Statistical uncertainties are shown as error bars in all panels but are smaller than the symbol for ptr in 

(a) and (c). ........................................................................................................................................... 182 

Figure D3.  Equilibrium  CO2  capacities,  q, measured  in  adsorption  (filled  symbols)  and  desorption 

(empty symbols) for ZIF‐7 at pressures, p, to 0.1 MPa, and eight temperatures T from (233 to 293) K. 

Curves represent fits of the LJMY‐Langmuir model (eq. (D1) and described in the SI). ..................... 184 

Figure D4. (a) Variation of transition pressures, ptr, with temperature and (b) relative to the value ptr0 

at 303 K value  for CO2 on ZIF‐7.  (c) Variation of ptr with  temperature and  (d) with  the  transition 

pressure measured in desorption,  des . ..................................................................................... 185 

Figure DS1. Hysteretic  sorption  isotherms  for CH4 on  the  Fe(bdp) measured by Mason et  al.  [48] 

Symbols:  experimental  data;  curves:  calculated  with  LJMY‐Langmuir  model.  (left)  Adsorption  or 

desorption branch at each temperature was fitted separately. (right) The adsorption and desorption 

branches at each temperature were fitted simultaneously. .............................................................. 198 

Figure DS2. Hysteretic  sorption  isotherms  for CH4 on  the Co(bdp) measured by Mason et al.  [48] 

Symbols:  experimental  data;  curves:  calculated  with  LJMY‐Langmuir  model.  (left)Adsorption  or 

Page 23: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  22 

desorption branch at each temperature was fitted separately. (right) The adsorption and desorption 

branches at each temperature were fitted simultaneously. .............................................................. 199 

Figure DS3.  Equilibrium CO2 capacities, q, measured  in  adsorption  (filled  symbols)  and desorption 

(empty symbols)  for ZIF‐7. Curves  represent  fits of  the LJMY‐Langmuir model with adsorption and 

desorption branched at each temperature fitted simultaneously. .................................................... 200 

Figure DS4. Temperature dependence and hysteresis of the transition width parameter, ,  reported 

in Tables DS1 to DS3 when each branch is fit separately to eq (D1). ................................................. 208 

Figure DS5. Graphical layout of the PVSA model built with Aspen Adsorption. ................................ 209 

Figure DS6. Isotherm data and LJMY‐Langmuir fits for CO2 and CH4 on ZIF‐7 at 303 K. ..................... 211 

Figure DS7. Simulated methane content of light product (P1 stream in Figure DS5) produced from an 

equimolar feed of CH4 + CO2 using ZIF‐7 in a 2‐bed, 4‐step PVSA process with phigh = 2 bar. For every 

desorption  pressure  (plow)  considered  the  result  of  using  each  of  the  three  isotherm  models 

(adsorption branch, desorption branch or full hysteresis) is shown. ................................................. 212 

   

Page 24: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  23 

List of Tables 

Table 1.1. Comparison of CO2 emissions per unit of energy produced from the major fossil fuels [10].

 .............................................................................................................................................................. 30 

Table 3.1. Structural and chemical composition of CBV100 and CBV720 parent zeolites. .................. 83 

Table 3.2. Parameters for the Langmuir isotherm model. ................................................................... 86 

Table 3.3. Comparison of enthalpy of adsorption values obtained in this work with values reported in

 .............................................................................................................................................................. 88 

Table 3.4. Structural and chemical composition of HY400 and HY600 parent zeolites. ....................... 97 

Table 3.5. Comparison of CH4 capacity and CH4/N2  selectivity of Carbon‐E‐TMAY1 with competitor 

adsorbents for CH4/N2 separation. ..................................................................................................... 114 

Table 4.1. Results of ICP tests conducted on NaY and CEZ. Si/Al ratio was calculated from the results.

 ............................................................................................................................................................ 118 

Table  4.2.  Surface  area measurements  of NaY,  CEZ  and  C‐R2030  obtained  from  77K N2  sorption. 

Manufacturer's surface area for NaY (parent zeolite of TMAY ‐ CBV100) is available in Table 3.1. .. 121 

Table 4.3. Pore volume measurements of NaY, CEZ and C‐R2030 obtained from 77K N2 sorption. .. 121 

Table 4.4. CH4/N2 Selectivity of CEZ, Carbon‐R2030 and NaY. ............................................................ 125 

Table C1. Comparison of the performance of the adsorbing materials with highest CO2 selectivities.

 ............................................................................................................................................................ 171 

Table CS1. The gas selectivities and capacities on chabazite. ............................................................ 177 

Page 25: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  24 

Table DS1. Values  and  statistical  standard  uncertainties,  u, of  best  fit parameters determined  by 

regression of  the LJMY‐Langmuir model  (eq  (D1) or eq  (DS3))  to  the data of Mason et al.  [48]  for 

sorption of CH4 on Fe(bdp), together with the standard error of the fit. ........................................... 194 

Table DS2. Values  and  statistical  standard  uncertainties,  u, of  best  fit parameters determined  by 

regression of  the LJMY‐Langmuir model  (eq  (D1) or eq  (DS3))  to  the data of Mason et al.  [48]  for 

sorption of CH4 on Co(bdp), together with the standard error of the fit. .......................................... 195 

Table DS3. Values  and  statistical  standard  uncertainties,  u, of  best  fit parameters determined  by 

regression of the LJMY‐Langmuir model (eq (D1) or eq(DS3)) to the data measured in this work and by 

Arami‐Niya et al. [59] at 303 K for the sorption of CO2 on ZIF‐7, together with the standard error of the 

fit. ........................................................................................................................................................ 196 

Table DS4. Values  and  statistical  standard  uncertainties,  u, of  best  fit parameters determined  by 

regression of  the  LJMY‐Langmuir model  (eq  (D1) or eq(DS3))  to  the data of Couck et al.  [162]  for 

sorption of CO2 on CH4 on MIL‐53(Al), together with the standard error of the fit. .......................... 197 

Table DS5. Equilibrium  capacities, q, of CO2 on ZIF‐7 measured  in adsorption and desorption as a 

function of pressure, p, and temperature, T. The relative combined standard uncertainty of sorption 

capacity, uc(qi)/qi, measured with this ASAP2020 was estimated previously [131, 161]  to be 1.4 %201 

Table DS6. PVSA cycle step sequence and timing ............................................................................... 210 

Table DS7. Simulation parameters ...................................................................................................... 210 

Table DS8. Values of  the  LJMY‐Langmuir  sorption  isotherm parameters  for ZIF‐7 at 303 K used  to 

simulate a PVSA separation of an equimolar CO2 + CH4 mixture, based on the data reported by Aram‐

Niya et al. [163] and by Yang et al. [164]. ........................................................................................... 210 

Table E1. Data points extracted graphically from Couck et al. [60] .................................................... 215 

Page 26: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  25 

Table E2. Data points extracted graphically from Mason et al. [48] .................................................. 218 

Table E3. Data points extracted graphically from Mason et al. [48] .................................................. 226 

Table E4. Data table for experimental data presented in Figure 2.9 and Figure 2.10 ........................ 232 

Table E5. Data points extracted graphically from McDonald et al. [64] ............................................. 238 

Table E6. Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 3 .............................. 244 

Table E7. Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 4 .............................. 264 

   

Page 27: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  26 

Acknowledgements 

I am profoundly indebted to the individuals whose contributions facilitated the timely completion of 

this work.  I would  like  to  thank my Principal  and Coordinating  Supervisor Professor  Eric May  for 

providing  guidance,  selecting  key  topics,  reviewing written work  and  helping  achieve milestones 

during  the  entire  duration  of  this  research  project.  Despite  being  very  busy  with  teaching 

commitments  and managing  a  large  research  group,  Eric  was  always  available  to  participate  in 

discussions, many of which were long and took place during the busiest times of the semester. He was 

always patient in answering questions and actively contributed by providing valuable feedback. 

I would also like to thank my Co‐Supervisor Professor Gang (Kevin) Li for his continuous suggestions 

and feedback that helped achieve some of the key outcomes of this work. Kevin provided hands‐on 

training with laboratory equipments and experimental procedures during the early stages of this work 

and  conducted  tutorials  and  learning  sessions  that  helped me  build  a  strong  foundation  on  the 

fundamentals of adsorption. Kevin brings a wealth of knowledge in the field of adsorption which has 

been invaluable to this research work. 

In addition  I would also  like  to express my gratitude  to my parents, Mr Sayedur Rahman and Mrs 

Suraiya Akhter, for their motivation and encouragement to continue my work through some of the 

toughest  times we went  through  as  a  family.  Finally,  I would  like  to  acknowledge my  daughter, 

Nusaibah Shams Rahman and my wife Sharmin Alam for the  immeasurable sacrifices they made to 

accommodate my PhD  in  their  lives. They were  severely deprived of my  time and  involvement  in 

numerous  family activities, yet  they never complained. Without  their support,  it would have been 

impossible to complete this work. 

Despite the assistance of all the people mentioned and many others not mentioned, the errors that 

still remain are my own. 

This  research has been  supported by an Australian Government Research Training Program  (RTP) 

Scholarship. 

Page 28: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  27 

Chapter 1 

Introduction and Motivation 

1.1 The rise of natural gas as a fuel 

With  rapid  urbanisation  and  increasingly widespread  use  of  technology  around  the world,  global 

energy consumption continues to grow. In 2018, world energy consumption was 2.9% higher than the 

previous year and almost double the average annual growth rate of 1.5% over the last 10 years [1]. 

The largest contribution to this increase came from natural gas which accounted for more than 40% 

of  the growth  [1, 2]. Globally natural gas consumption  rose by 5.3% over  the previous year while 

production grew by 5.2%  [1, 2]. These  figures were  the  fastest annual growth  rates  recorded  for 

natural gas  in the  last 30 years and more than double the average 10‐year annual growth rate, as 

shown in figure 1.1 [1]. 

 

Figure 1.1. Comparison of growth of natural gas consumption and production in 2018 with the previous 10‐year average annual growth rate and the major countries which contributed to the 

growth [1]. 

  

Page 29: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  28 

The largest contribution to the increase in natural gas consumption was driven by growing demand in 

power generation to replace coal‐fired power stations, especially in the US and China [3]. In the US, 

15  gigawatts  of  coal‐fired  power  generation  capacity was  retired  in  2018 while  in  China  strong 

environmental  policies  encouraging  coal‐to‐gas  switching  have  triggered  a  number  of  large  scale 

projects  leading  to a remarkable 18%  increase  in natural gas consumption  [1, 3]. Figure 1.2 below 

shows the historical as well as a projected decline in coal‐fired electricity generation in the US from 

2010 – 2050 and the corresponding rise in natural gas as a source of power generation. 

 

Figure 1.2. Comparison of the historical and projected use of different fuels to generate electricity in the US from 2010 – 2050 [3]. 

 

To meet  the  growing demand,  it  is  inevitable  that  the  supply of natural  gas  also has  to  increase 

significantly. In 2018, the largest contribution to the increase in production came from the US shale 

gas  reserves  in Mercellus,  Haynesville  and  Permian.  In  addition,  continuous  rapid  expansion  in 

liquefied natural gas (LNG) made a major contribution to the overall supply [1‐3]. A number of existing 

Page 30: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  29 

LNG plants  in Australia, US and Russia achieved substantial  increase  in production volumes while a 

number of new plants went into production [1]. 

1.1.1 Natural gas in Australia 

In recent years, Australia has played a major role in meeting the global demand for natural gas.  In 

FY2018‐19, LNG was Australia’s second largest export commodity by value after iron ore and had by 

far the highest annual growth in both value and volume amongst all resource and energy commodities 

[4]. A major portion of Australia’s LNG exports come from Western Australia (WA), which as of October 

2019, has 65.5 trillion cubic feet (tcf) of proven (2P) offshore conventional natural gas reserves and an 

additional 68.1 tcf of 2C conventional gas resources [5]. In 2018, WA contributed to 66% of Australia’s 

total LNG exports and 14% of global LNG supply. Figure 1.3 shows  the number of WA LNG export 

projects in operation since 2015 and the growth in annual export capacity each of these contributes 

to. Amongst these, the Prelude FLNG plant made its first LNG shipment in June 2019. 

 

Figure 1.3. LNG export projects in operation in Western Australia since 2015 and the growth in the state’s annual LNG export capacity in million tonnes [5]. 

Page 31: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  30 

1.1.2 Environmental regulations 

Over the last few decades there has been growing concern over the impact of climate change around 

the world. A number of  accords  and  agreements  have been  signed  setting  targets  and  limits  for 

signatory countries to reduce greenhouse gas emissions. The most well‐known amongst these are the 

Kyoto Protocol (1997), the Copenhagen Accord (2009), and the Paris Agreement (2016), whose main 

objective is to ensure that global temperature increase by the end of the century is kept well‐below 2 

degrees Celsius above pre‐industrial levels [6]. To achieve this target, strict regulatory measures have 

been undertaken  by  governments  across  the world  to  cut  greenhouse  gas  emissions  from major 

industries such a power generation, manufacturing and chemical processing [7, 8]. 

The primary greenhouse gas whose atmospheric concentration is increasing at the highest rate as a 

direct consequence of human activities is carbon dioxide [9]. Reducing CO2 emissions has therefore 

been  a  key  target  for environmental  regulations being  implemented  around  the world. Table 1.1 

below shows the comparison of CO2 emissions per unit (BTU) of energy produced from the major fossil 

fuels including coal, oil and natural gas [10]. 

Table 1.1. Comparison of CO2 emissions per unit of energy produced from the major fossil fuels [10]. 

Fuel Pounds of CO2 emitted per million British Thermal Unit (BTU) of energy produced 

Coal (anthracite)  228.6 

Coal (bituminous)  205.7 

Coal (lignite)  215.4 

Coal (subbituminous)  214.3 

Diesel fuel and heating oil 

161.3 

Gasoline (without ethanol) 

157.2 

Propane  139.0 

Natural gas  117.0 

Page 32: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  31 

As shown in the table above, amongst all fossil fuels, natural gas has the lowest CO2 emissions per unit 

of energy produced.  It  is  therefore considered  to be  the cleanest  fossil  fuel and has been a major 

driver, along with clean air issue, of programs such as coal‐to‐gas switch in China and US, as described 

above.  For this same reason, rapid growth in the demand and consumption of natural gas is expected 

to continue in the coming years. 

1.2 The challenge of separating gas mixtures  

As discussed above, one of the essential factors facilitating the growth of global supply and trade of 

natural gas is LNG. This is because many of the large natural gas reserves are located far away from 

the  global  markets  and  transporting  in  shipping  vessels  is  far  more  economically  viable  than 

constructing pipelines across oceans [11]. The operational schematic of a conventional LNG processing 

plant is shown below in figure 1.4. 

 

Figure 1.4. Conventional gas processing operations in a typical natural gas plant with a cryogenic process for liquefied natural gas production. MCHE = main cryogenic heat exchanger [12]. 

 

Page 33: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  32 

As shown above, before a feed of natural gas can enter the  liquefaction unit of an LNG processing 

plant,  its  impurity  contents, mainly  carbon dioxide and nitrogen, must be  reduced  significantly  to 

deliver a high concentration methane stream.  Most feed gas specifications require CO2 contents to 

be  less than 50 ppmv and N2 concentration to be under 1% [13, 14]. This is because CO2 freezes at 

cryogenic temperatures to form dry ice which can cause blockage and N2 has no heating value and can 

cause  stratification and  rollover of  the  liquid product during  shipping. However, most natural gas 

reserves around the world contain much higher impurities, typically over 3% CO2 and 4% N2 [13]. 

In order to meet the feed gas specifications of LNG plants, CO2 and N2 need to be selectively removed 

from natural gas. The process of separating these components from a mixture of several gases is not 

trivial. Conventionally, CO2  is removed using the method of amine absorption where the mixture  is 

treated with aqueous amine solution and the resulting CO2‐reach acidic by‐product is rejected through 

acid gas rejection units while the remaining hydrated contents are passed through dehydration loops 

before delivering into the liquefaction plant [15]. N2 rejection takes place at low temperatures through 

the process of cryogenic distillation which uses the difference  in relative volatility of CH4 and N2 at 

high pressure conditions to separate N2 + CH4 mixtures [16, 17]. 

Both amine absorption and cryogenic distillation are energy‐intensive processes and raise the unit 

cost of LNG production. For amine absorption, gas processing costs range from USD 0.18 to USD 0.31 

per Mscf  product  [18].  The major  contributions  come  from  the  additional  power  consumption 

required to (i) maintain a continuous sorbent circulation rate determined by the loading capacity of 

the sorbent and the amount of CO2 that needs to be removed and (ii) regenerate the amine sorbent 

[13]. For cryogenic distillation, the main added operating cost arises from the additional power needed 

to extend the high pressure conditions, required for N2/CH4 separation, to the nitrogen rejection unit 

[16, 19]. Typical power ratings of conventional cryogenic distillation columns have been reported to 

range between 360 MW and 386 MW [20]. 

Page 34: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  33 

1.3 Adsorptive separation 

Due  to  the additional operating costs associated with amine absorption and cryogenic distillation, 

alternative cost‐effective gas separation methods are sought by the natural gas industry. In particular, 

adsorption‐based separation methods are considered as possible cost‐effective solutions [21‐24]. The 

application  of  adsorption  as  a method  for  separating mixtures  into  two  or more  streams,  each 

enriched with a valuable component to be recovered, began in the early 1950s [25]. Initially used for 

the recovery of aromatic hydrocarbons, adsorption based processes became popular in the 1970s for 

separating close boiling point crude oil components. With increasing energy prices, adsorption, which 

in principle was the more economic separation method, competed with distillation – the conventional 

method for separating crude oil fractions [25].  

The two most promising adsorptive separation methods that can potentially replace amine absorption 

and  cryogenic  distillation  in  the  LNG  industry  include  pressure  swing  adsorption  (PSA)  and 

temperature swing adsorption (TSA). Both these processes use cycles consisting of adsorption to load 

gas  onto  the  adsorbent material  and  desorption  to  regenerate  the  adsorbents.  To  separate  gas 

mixtures, PSA relies on the difference in adsorption capacity at different pressures under isothermal 

conditions while TSA makes uses of the difference in capacity at different temperatures under isobaric 

conditions.  A  schematic  representation  of  a  two‐bed  cyclic  separation  process  and  the  capacity 

difference used by PSA/TSA are shown in figure 1.5. 

Under isothermal conditions, adsorption occurs when the pressure is increased and desorption occurs 

when the pressure is lowered again. The PSA method therefore uses depressurisation to regenerate 

the adsorbent bed and  is able  to operate with  short cycle  times,  in  the order of minutes or even 

seconds, provided that the kinetics/mass‐transfer properties of the adsorbent being used is able to 

support  rapid  loading/unloading  [26]. This means, with  the  suitable adsorbent, a PSA process can 

deliver faster separation using a smaller amount of adsorbent compared to an equivalent TSA process 

[12]. 

Page 35: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  34 

 

Figure 1.5. (a) Schematic representation of a two‐bed cyclic adsorption process with (b) pressure swing adsorption (PSA) and temperature swing adsorption (TSA) cycles shown on a typical isotherm [12]. 

1.3.1 The need for adsorbents with high capacity 

Success of any commercial scale adsorption process depends crucially on the availability of suitable 

adsorbents in tonnage quantities at economic cost [25]. This need for adsorbents has stimulated, over 

the  last 40  years,  fundamental  research  that  led  to  the development of  a  range of  commercially 

available materials  such  as  activated  carbon,  silica  gel, molecular  sieves,  zeolites, metal  organic 

frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs) etc. Adsorption‐based separation processes 

are  heavily  dependent  on  the  adsorptive  characteristics  of  these  adsorbents.  Some  of  the  key 

desirable properties include: 

High capacity for the target gas 

High selectivity for the target gas mixture 

High mass transfer coefficient to ensure sustainable adsorption kinetics 

Regenerability to ensure continuous performance upon repeated load/unload cycles 

(a)  (b) 

Page 36: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  35 

Adsorption capacity is the amount of gas that can be loaded onto the solid adsorbent upon reaching 

steady‐state  equilibrium  at  a  certain pressure under  isothermal  conditions.  In  a PSA process,  the 

adsorbent needs to have a high capacity for the target gas so that large amounts of it can be captured 

in each cycle, leading to a smaller quantity of adsorbent material needed or a lesser number of cycles 

required  to achieve  the desired  separation. Either way,  this means  the associated operating costs 

needed for the separation process are reduced.  

Wide range of studies are available where capacity of common adsorbents such as zeolites and carbon 

have been measured  to determine and compare  their suitability  for use  in PSA processes  [27‐30].  

Contemporary  research  has  also  focused  on  implementing  changes  within  existing  adsorbent 

structures to achieve enhanced capacity [31‐33] and developing emerging adsorbent materials such 

as metal organic frameworks (MOFs) with increased adsorption capacities [34‐37]. While adsorptive 

properties of MOFs are often more desirable than zeolites and carbon, the availability and production 

cost of MOFs are usually not as favourable. Yilmaz et al [38] provide a detail analysis of factors that 

affect  large  scale  synthesis  of  MOFs.  The  main  considerations  are  cost  and  availability  of  raw 

materials/reagents  and  the  space‐time‐yield  (STY)  of  synthesis.  The  cost  of  production  is  usually 

significantly higher than adsorbents such as zeolites and carbon, even when the reagents are available 

in abundant quantities. However,  favourable  separation  characteristics  can mean  that a MOF  is a 

preferred adsorbent for certain applications, despite its high synthesis cost. 

1.3.2 The need for adsorbents with high selectivity 

Selectivity is a measure of an adsorbent’s relative affinity towards a particular gas over another gas in 

a mixture of two or more gases. Some factors that affect selectivity  include the relative molecular 

diameters of the gas molecules  in comparison to the size of the adsorbent’s pore opening and the 

electrostatic interaction between the gas and the solid materials. When exposed to a mixture of two 

gases, an adsorbent material will adsorb higher amount of the gas  it  is more selective towards and 

lower amount of the gas it is less selective towards. Hence, to capture nitrogen from a typical mixture 

Page 37: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  36 

of methane and nitrogen present  in natural gas, under  identical conditions, a PSA process using an 

adsorbent with a higher N2/CH4 selectivity will require fewer cycles and less time to achieve its target 

separation in comparison to a PSA process using the same amount of another adsorbent with a lower 

N2/CH4 selectivity. Thus, as with higher capacity, using adsorbents with higher selectivity for the target 

gas also  leads  to savings  in operating costs as  the same separation performance can be delivered 

within a shorter time or using smaller quantity of adsorbent. 

Achieving highly selective adsorption has been a key driver behind the development and evolution of 

materials such as metal organic frameworks (MOF’s) and covalent organic frameworks (COF’s) [39‐

43]. For large scale processes such as LNG, the preference is usually to use adsorbents such as zeolites 

and carbon which can mostly be obtained from natural sources with minimal treatment. However, 

substantial difference  in capacity, selectivity and kinetics can also make synthetic materials such as 

MOFs and COFs economically more favourable than zeolites and carbon. 

1.3.3 The need for reliable isotherm models 

Our understandings of  the  governing  relationships  that dictate  the  interaction between  the  solid 

surface of an adsorbent and the gas molecules being adsorbed can be described in functional forms 

generally known as isotherm models. Classical isotherm models, such as the Langmuir [44], BET [45], 

and  Toth  [46] models  have  been  derived  by  applying  thermodynamic  equations  of  state  to  the 

adsorption equilibrium while making certain assumptions  in  regards  to  the phase of  the adsorbed 

layer. These models have been generally able to quantify the adsorption behaviour of most common 

adsorbents  such  as  zeolites,  carbon,  silica  etc  over  a wide  range  of  temperature  and  pressure. 

However, some well‐known emerging materials such as MIL‐53 (metal organic framework) and ZIF‐7 

(zeolitic  imidazole  framework), which  have  demonstrated  extraordinary  adsorption  capacity  and 

selectivity, exhibit adsorption behaviours very different from those of carbon or zeolites. As a result 

of  the  flexibility  in  their  structure,  these materials undergo a phenomenon known as  “breathing” 

which cause a  step‐shape  in  their adsorption/desorption  isotherms. Classical  isotherm models are 

Page 38: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  37 

generally  unable  to  capture  this  behavior  and  are  therefore  not  suitable  for  these  emerging 

adsorbents. 

In an adsorptive separation process such as PSA, isotherm models are important for obtaining reliable 

process simulation results which are used to design and optimise the performance of the PSA under 

different operating conditions.  Hence, in order to utilise the adsorptive characteristics of emerging 

flexible  adsorbents  such  as  breathing  MOF’s  in  PSA  processes,  an  isotherm  model  capable  of 

quantifying adsorption/desorption behaviour of these materials within a wide range of temperature 

and pressure is required. 

1.4 The objectives of this research 

This  research  project  aims  to  support  the  implementation  of  novel  pressure  swing  adsorption 

separation technologies in the natural gas industry through the following objectives: 

Develop an isotherm model capable of quantifying changes in adsorption capacity in response 

to pressure‐induced structural transitions in flexible adsorbents 

Correlate hysteresis in breathing adsorbents with temperature and validate experimentally 

Develop  a  simple  method  to  substantially  enhance  nitrogen  adsorption  capacity  of  a 

commercially available Faujasite type Zeolite Y 

Identify  the  structural modifications  in  the novel  adsorbent and propose a mechanism  to 

explain how these changes cause the observed enhancements in capacity 

In Chapter 2, an isotherm model capable of quantifying adsorption/desorption behaviour, including 

hysteresis, caused by structural transitions  in flexible metal organic frameworks,  is developed. The 

proposed model uses a functional form that incorporates a step change in adsorption capacity without 

introducing any discontinuities. The model  is validated by  regressing experimental  isotherm data, 

collected from the literature as well as from laboratory measurements, for a number of well‐known 

flexible adsorbents over a wide range of temperature and pressure. Using regression parameters, the 

Page 39: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  38 

model is then used to correlate the magnitude of hysteresis in flexible adsorbents with temperature, 

leading to conditions where hysteresis reaches a  limiting asymptotic value. Finally, to demonstrate 

the model’s suitability for use in industrial process simulations, a commercial software package is used 

to incorporate the proposed functional form as an isotherm model to define the adsorption bed for 

simulating  the  separation  of  a  binary  gas  mixture,  first  using  a  dynamic  column  breakthrough 

apparatus and then using PSA. The results obtained are compared with experimental data from the 

literature as well as with results from simulations conducted under  identical conditions but using a 

classical counterpart of the proposed model. 

Chapter 3 focuses on material development where the effects of a range of chemical treatments on 

the methane and nitrogen adsorption capacity of some common naturally sourced variants of zeolite 

and  carbon  are  studied  experimentally.  Measurements  of  isothermal  adsorption  capacities  are 

presented  for  a  number  of  novel  zeolite‐based  and  carbon‐based  adsorbents  synthesised  using 

different wet  chemistry  procedures.  Structural  properties  such  as BET  surface  area  and  chemical 

compositions such as silicon‐to‐aluminum ratio and the type of cation that affect the adsorption  in 

zeolites are discussed with reference to the observed changes in capacity. Thermodynamic properties 

such as enthalpy of adsorption are also measured and compared in the different variants of zeolites 

used in the study. In addition to capacity, changes in selectivity due to the presence of organic cations 

such as tetramethyl ammonium are also studied in both zeolites and carbon. A number of methods to 

successfully functionalise carbon surfaces in order to introduce organic cations are presented and the 

resulting changes in methane/nitrogen selectivity are analysed and explained using characterisation 

techniques such as scanning electron microscopy. The theory and literature review pertaining to this 

concept has also been discussed in detail. 

In Chapter 4, a simple  laboratory method to synthesise a novel zeolite‐based adsorbent producing 

remarkable  enhancement  in  nitrogen  adsorption  capacity  is  presented.  This  material,  a  carbon 

enhanced zeolite  (CEZ), was synthesised by encapsulating a  readily available variant of a naturally 

Page 40: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  39 

occurring  faujasite  type  zeolite  into  an  external  mesoporous  carbon  film.  A  wide  range  of 

characterisation techniques including inductively coupled plasma analysis, x‐ray diffraction, nitrogen 

sorption at 77K, scanning electron microscopy and scanning transition electron microscopy are used 

to identify the structural changes responsible for capacity enhancement in this material. Furthermore, 

a mechanism explaining the observed gain  in adsorption capacity  is proposed and validated by the 

results of the characterisation experiments. 

Finally, in Chapter 5, the key outcomes of this work are summarised. The relevance of the findings to 

the natural gas industry are clearly identified and how the results can be used to address a number of 

industrial challenges are described. Future research directions to further progress the outcomes of 

this work are also suggested. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 41: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  40 

Chapter 2 

Structural Transitions in Metal Organic Frameworks 

Foreword 

This chapter forms the basis of a manuscript that has been prepared for submission to the Journal of 

American Chemical Society (JACS). The manuscript has been reproduced in Appendix D. 

2.1 Introduction 

The  development  and  study  of  flexible  porous materials,  in  particular metal‐organic  frameworks 

(MOFs),  has  been  a major  focus  in  the  adsorption  community  in  recent  years.  Interest  in  these 

materials,  from a process perspective,  can be attributed  to  their potential use  in a wide  range of 

applications  in gas separation, gas storage, and catalysis [47‐53]. Owing to the numerous different 

methods by which these structures have been designed and engineered for their desired applications 

[54, 55],  the  reported adsorption  characteristics of most MOF’s are  fundamentally different  from 

those exhibited by conventional adsorbents such as molecular sieves, zeolites and activated carbon. 

In flexible MOFs, the host‐guest interaction affects the host’s pore characteristics and the associated 

pore accessibility by the guest molecule. The interaction may be classified as one of two mechanisms: 

(1) a crystallographic phase transition that results  in unit cell volume change (breathing or swelling 

effect [56, 57]), or (2) a linker rotation and sub‐net sliding where there is no change in the unit cell 

volume (gate‐opening). In both cases, the ability of these “soft materials” to change structure means 

their  observed  adsorption  characteristics  are  fundamentally  different  to  those  exhibited  by 

conventional adsorbents such as molecular sieves, zeolites and activated carbon[54, 55]. One of the 

most obvious differences is the drastic increase in sorption capacity that occurs when the number of 

accessible adsorption sites in the framework suddenly changes in response to external stimuli such as 

temperature,  pressure  or  the  adsorption/desorption  of  guest molecules[56,  57].  This  feature  of 

Page 42: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  41 

flexible  MOFs  allows  the  adsorption  of  guest  molecules  seemingly  larger  than  the  nominal 

crystallographic pore diameter  to suddenly  increase. Such materials offer,  in principle, a very high 

selectivity and could potentially be very useful in the development of new gas separation technologies. 

Although adsorption/desorption behaviours of several flexible MOFs have been studied extensively, 

quantifying the shape of the isotherms and predicting the phase transition pressure for a given host‐

guest molecule system still remains challenging. An isotherm model with a consistent and physically 

meaningful set of parameters  is essential for reliable simulation of any adsorption‐based  industrial 

process utilizing  the breathing MOF,  such as  the gas  separation process  that often motivates  the 

material’s development. Use of classical  isotherm models such as  the Langmuir, Toth and  the BET 

models,  which  work  well  for  conventional  adsorbents,  are  likely  to  produce  erroneous  process 

simulation results for flexible adsorbents, especially near the region of the isotherm that corresponds 

to the structural transition where the classical model deviates from the experimental data, as shown 

in  figure 2.1.  Some developers of  flexible MOFs have  attempted  to use  combinations of  classical 

functional forms to regress breathing isotherm data; however, these resulted in piece‐wise definitions 

of  classical  adsorption models being  stitched  together with  inconsistent parameters produced by 

fitting  to  different  parts  of  the  breathing  isotherm  [48,  58,  59].  Arami‐Niya  et  al.  [59]  used  the 

Langmuir‐Freundlich model to regress experimental isotherm data for the adsorption of CH4 and CO2 

on ZIF‐7. However,  in addition  to difficulties  in  fitting, this model requires an excessive number of 

fitting parameters and is cumbersome for use in process simulation design. Moreover, this approach 

does not readily lend itself to insight about the nature of the material’s behaviour or predictions of 

key properties at conditions far from the measured data. 

Page 43: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  42 

 

Figure 2.1. Deviation of the classical Toth model from isothermal experimental data [60] at 303K for 

the adsorption of (a) CO2 and (b) CH4 on amino‐MIL‐53 (Al). 

Recently, Li et al. [61] proposed an approach for quantifying temperature‐regulated guest admission 

in  adsorbents  such  as  trapdoor  zeolites based on  the  energy  distribution of  oscillators within  an 

adsorbent structure.  This method, termed as the Li‐Jensen‐May (LJM) approach, led to a functional 

form  capable  of  quantitatively  describing  observed  adsorption  isobars  for materials  that  exhibit 

temperature‐dependent adsorption.  In this work, we have used an adaptation of the LJM approach 

to propose an empirical  isotherm model  capable of providing a more coherent description of  the 

observed  breathing  isotherms,  avoiding  piece‐wise  definition  or  any  discontinuity.  Experimental 

isotherm data for different flexible MOFs from the literature were successfully regressed to this new 

functional  form,  termed as  the “pressure‐induced LJM model”. For  isotherms with hysteresis,  this 

model can be used to quantify desorption together with adsorption. This means hysteresis associated 

with breathing transitions can be analyzed as a temperature dependent effect and consequently leads 

to the prediction of a temperature at which hysteresis becomes very small. Finally, the model is used 

as  an  isotherm  model  to  simulate  first  the  binary  breakthrough  and  then  the  pressure  swing 

adsorption  separation of a gas mixture using a  commercial  software package  to demonstrate  the 

model’s suitability for use in industrial process simulations. The results obtained are compared with 

experimental data from literature as well as with results from simulations conducted under identical 

conditions but using a classical counterpart of the proposed model. 

Page 44: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  43 

2.2 Development of the pressure‐induced LJM model 

The LJM approach originally proposed to quantify temperature‐regulated guest admission exhibited 

by adsorbents  such as  trapdoor  zeolites where,  contrary  to normal physiosorption, an adsorption 

isobar features a point of maximum capacity beyond which the capacity decreases with decreasing 

temperature  [61].  In  these materials,  admission  to  adsorption  sites  occurs  through  interactions 

between  guest molecules  and  oscillating  pore‐keeping  cations  that  obstruct  the  entrance  to  the 

interior of a unit cell. Admission of  the guest molecules  is based on  its  interaction with  the door‐

keeping cation (oscillator). At a certain condition, the guest molecule induces temporary deviations in 

the cation from its original position, providing sufficient space for the guest molecule to enter the pore 

that contains the majority of adsorption sites. For the oscillator to deviate from its preferred site and 

allow a guest molecule to be admitted, the combined guest‐host system must have enough thermal 

energy to overcome the energy barrier associated with the temporary deviation of the host that  is 

sufficient to allow the guest access to the pore. 

Structural change in flexible MOFs is a highly guest dependent transition between collapsed or narrow 

pore  (np) and expanded or  large pore  (lp) phases  that  is characterised by gate‐opening and gate‐

closing  pressures  [62].  Thus,  analogous  to  temperature‐regulated  guest  admission  in  trapdoor 

adsorbents, breathing effect in MOFs can be defined as a pressure dependent phenomenon [56, 57, 

63]. Hence, a functional form for pressure‐induced adsorption can be derived using a similar approach 

used  for deriving  the  temperature‐induced model. An expression  for  the adsorption  capacity of a 

breathing adsorbent obtained by incorporating the LJM form into the classical Toth model is given in 

equation Eq. 2.1 below. The full derivation is available in Appendix A1.   

1,

√1   (Eq. 2.1) 

In equation Eq. 2.1, np  is the adsorption capacity,  ,  is the theoretical maximum value that the 

breathing pressure can have when temperature becomes large, k is the breathing pressure coefficient, 

Page 45: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  44 

βP is a measure of the distribution width,    is the fraction of external surface sites and defects always 

available for adsorption,   is the maximum monolayer adsorption capacity, b0 is the gas‐solid affinity 

coefficient, ΔH  is the enthalpy of adsorption, R  is the gas constant, m  is the surface heterogeneity 

coefficient and T and P respectively are the temperature and pressure, as shown in equation Eq. 2.1, 

to  the  parameters  present  within  the  standard  adsorption  equation.  A  summary  of  all  model 

parameters considered in this work, including their units is provided in Appendix A2. 

The pressure‐induced form of the LJM model, as described by equation Eq. 2.1, was used in the next 

sections  to  quantify  isothermal  adsorption  capacity  of  a  number  of  breathing MOFs  that  exhibit 

stepped isotherms as a result of phase transition of these materials. The experimental data used for 

this quantitative study were obtained from multiple sources published in the open literature [48, 60, 

64]. In order to validate the model, attempts were made to fit different forms of breathing isotherms 

reported  in  the  literature. These are 1‐ CH4 adsorption/desorption measurements on Fe(bdp) and 

Co(bdp)  in a temperature range of 248‐323 K and pressures up to 7000 kPa, reported by Mason et 

al.[48]; 2‐ CO2 adsorption/desorption measurements on mmen‐Fe2(dobpdc) and mmen‐Co2(dobpdc) 

in a temperature range of 298‐323 K and pressures up to 100 kPa [64]; 3‐ CO2 adsorption isotherms 

on  amino‐MIL‐53(Al)  at  288‐303 K  and  pressures  up  to  2900 kPa  [60].  For  amino‐MIL‐53(Al)), 

experimental data  for  the  column breakthrough  separation of a CH4/CO2 mixture using were also 

reported [60], allowing for comparisons to be made with simulations performed using the pressure‐

induced LJM model to quantify isothermal breathing behavior. In addition, we conducted experiments 

in our own laboratory to measure isothermal adsorption/desorption of CO2 on ZIF‐7 up to a pressure 

of 100 kPa at temperatures ranging from 233 K – 253 K and made attempts to regress the pressure‐

induced LJM model on the obtained data. 

2.3 Modelling stepped breathing isotherms 

The  stepped breathing  isotherm, observed with many  flexible adsorbents,  refers  to an adsorption 

isotherm where the amount of gas adsorbed is small at low pressures but rises sharply as the pressure 

Page 46: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  45 

approaches P0 and thereafter continues to rise further before forming a plateau [48, 56, 57, 63].  This 

isotherm shape has been attributed to a two‐stage adsorption process caused by the framework’s 

transition from np to lp phases. As the physical dimensions and characteristics of the pores and cages 

are different in the two phases, two types of adsorption sites become available for guest molecules 

[65].  The  first  stage  in  the  adsorption  isotherm where  uptake  is  low  takes  place  because  at  low 

pressures  the  framework  is mostly  in  the np phase.  In  this phase, most of  the unit  cells are  in a 

collapsed  stage making  the pore  surface area and volume available  for adsorption  to be  low. The 

energy released due to adsorption  in this stage  is used to overcome the  interfacial energy penalty 

required to create new surface area and cause pore expansion (np  lp) whereby surface area and 

volume  increase dramatically making additional cavities and adsorption sites accessible  to  the gas 

molecules for the second stage of adsorption to take place [66]. The specific shape of the isotherm in 

the  two  adsorption  stages depends on  types of  adsorption  sites present  in  the  framework being 

considered. In the following examples, we investigate the compatibility of the pressure‐induced LJM 

model in quantifying different forms of stepped isotherms exhibited by a number of breathing MOFs. 

2.3.1 CH4 on Fe(bdp) 

Mason et al. conducted a set of CH4 volumetric adsorption and desorption experiments for the metal‐

organic  framework  Iron(II)‐1,4‐benzenedipyrazolate, abbreviated as Fe(bdp)  that  shows noticeably 

high capacity for CH4 adsorption. 3‐D schematics of this compound in both collapsed and expanded 

forms  are  shown  in  figure  2.2.  Measurements  of  isothermal  excess  adsorption  and  desorption 

capacities  at  low  and  high  pressures  (up  to  7000 kPa)  are  reported  and  cover  a wide  range  of 

temperatures from 248 K to 323 K [48]. The broad hysteretic desorption of CH4 from Fe(bdp) is used 

to suggest an application  for practical gas storage since  the gas adsorbed at high pressure can be 

stored at lower pressures. However, in a gas separation process by pressure swing adsorption (PSA), 

a significant adsorption‐desorption hysteresis loop may affect the low‐pressure release stage. It has 

been suggested that significant hysteretic desorption seen in stepped breathing isotherms of hybrid 

MOFs is caused mainly by the strong interactions between the adsorbed guest molecules and the host 

Page 47: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  46 

[67]; nevertheless, there is still no practical tool to predict the hysteretic desorption pressure of these 

materials in the presence of a guest molecule and at a certain temperature. 

 

 

 

 

Figure 2.2. 3D depiction of (a) solid‐state structure of the collapsed phase of Fe(bdp) under vacuum at 298K and (b) idealized average solid‐state structure of the expanded phase of Fe(bdp) under 50 

bar pressure at 298K [48]. 

Figure 2.3 (a) and (b) show the pressure‐induced LJM model represented by equation Eq. 2.1 regressed 

on  experimental  data  respectively  for  isothermal  adsorption  and  desorption  of  CH4  on  Fe(bdp) 

reported by Mason et al. [48] 

 

(a) Collapsed Fe(bdp)

(b) Expanded Fe(bdp)

Page 48: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  47 

 

Figure 2.3. Demonstration of the pressure‐induced LJM model’s ability to quantify breathing isotherms for CH4 (a) adsorption and (b) desorption on Fe(bdp) at seven temperatures reported in 

reference [48]. Solid and hollow symbols denote, respectively, adsorption and desorption experimental data. Solid curves represent the pressure‐induced LJM model. 

The  fitting  exercise  performed  above  shows  that  the  regressed  pressure‐induced  LJM model  can 

provide a good representation of the measured data. The quality of the regression is validated by the 

ability  of  the model  to  fit  a  total  of  14  isotherms  (seven  each  for  adsorption  and  desorption) 

encompassing a range of temperatures between 248 K and 323 K. The regression had an R2 of 0.996 

for adsorption and 0.990 for desorption with values of all parameters,  listed  in Appendix A3, being 

physically meaningful. The statistical uncertainties of regression in the parameter values are also listed 

in Appendix A3.  In particular, the model predicts an enthalpy of adsorption, ‐ΔH, the value of 12.8 

kJ/mol, which is near the 12.7 kJ/mol (expanded) value reported in the experimental work [48]. The 

value of the other classical parameter n∞ was above 20 mol/kg which was expected as the material 

was designed to have a high CH4 capacity. The Toth parameter m had a value of 1 indicating that the 

classical part of the model was essentially the Langmuir model. 

A unique feature of this modeling approach lies in its ability to connect desorption with adsorption for 

materials that exhibit hysteresis. In the absence of hysteresis, a desorption isotherm should, in theory, 

be quantifiable by the same parameter values that describe the corresponding adsorption isotherm 

[25]. Hence, when hysteresis  is present,  it  is necessary  to  identify  the parameters  that would be 

affected  by  hysteresis. Among  the  parameters  used  in  the  above model, only  P0,ref,  k  and βP  are 

(b)

Page 49: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  48 

affected  by  hysteresis  as  ε  is  a measure  the  adsorption  on  the  external  surface  and  the  other 

parameters are inherited from the classical adsorption equations which are derived for cycles with no 

hysteresis. Therefore, only these three parameters were allowed to vary during the regression of the 

desorption isotherms while all other parameters were fixed at values obtained from the regression of 

the adsorption isotherms. Thus, the fit presented in figure 2.3(b) is essentially a three‐parameter fit. 

Following a similar approach used by Du et al. [66], the natural logarithm of the breathing pressure P0 

obtained from the above regression was plotted against 1/T for both adsorption and desorption, as 

shown in figure 2.4.  The plot shows that the points fall on a straight line with a negative slope for both 

adsorption (breathing‐in) and desorption (breathing‐out), justifying the use of the Clausius‐Clapyron 

equation  to model breathing pressure as a  function of  temperature. A detailed derivation of  this 

approach that aligns with Du et al. [66] has been provided in Appendix A1.  

Another remarkable observation lies in the fact that the slopes of the two straight lines in figure 2.4 

differ with the adsorption branch being steeper than the desorption branch. This means that the two 

lines can be extended to meet at a unique point, which we term as the point of intersection. This point 

corresponds  to  a  temperature,  Ti,  at  which  the  breathing‐in  transition  pressure,  P0,ads,  and  the 

breathing‐out transition pressure, P0,des, become equal to each other. For CH4 adsorption/desorption 

on Fe(bdp), this temperature is Ti ~ 115K, which is just above the liquefaction temperature of CH4 at 

atmospheric pressure, making it extremely difficult to conduct an adsorption/desorption experiment 

in the gas phase. 

The model parameter k is equivalent to the slope of the straight lines shown in figure 2.4 and is termed 

as the breathing pressure coefficient. For materials that exhibit hysteresis, this quantity  is different 

for adsorption as opposed to desorption. Hence, in subsequent discussions, either kads or kdes will be 

used  instead  of  k while  referring  to  the  breathing  pressure  coefficient  to  differentiate  between 

adsorption and desorption, respectively. 

Page 50: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  49 

  

Figure 2.4.  Plots of P0 vs. temperature for adsorption (breathing‐in) and desorption (breathing‐out). The plots indicate that P0 = f (t) is linear for this data set. The two straight lines through the plots 

meet at a point, where the breathing‐in transition pressure, P0,ads, becomes equal to the breathing‐out transition pressure, P0,des. 

To further study hysteresis as a function of temperature, CH4 adsorption and desorption isotherms for 

Fe(bdp) predicted by the pressure‐induced LJM model at nine different temperatures were plotted. 

Seven of  these plots are shown  in  figure 2.5  (a) –  (e). Among  these,  the plots at 323 K and 248 K 

correspond to the fittings to experimental data presented in figure 2.3 above, while the plots at 175 

K, 115 K and 100 K are theoretical isotherms predicted by the pressure‐induced LJM model. The plot 

at 115 K corresponds  to  the point of  intersection between  the breathing‐in and  the breathing‐out 

branches  shown  in  figure  2.4.  Considering  the  area  enclosed  between  the  adsorption  and  the 

desorption  isotherms  as  a measure  of  hysteresis,  the  plots  clearly  show  a  trend  of  diminishing 

hysteresis  with  decreasing  temperature.    In  order  to  quantify  hysteresis,  this  enclosed  area  is 

calculated graphically for each pairs of isotherms and plotted against temperature in figure 2.5 (f). The 

plot confirms  that hysteresis does  in  fact decrease with  temperature and appears  to approach an 

asymptote at temperatures below 115 K, which is the temperature at which the transition pressure 

during  adsorption,  P0,ads,  becomes  equal  to  the  transition  pressure  during  desorption  P0,des.  An 

exponential trendline can be fitted through the points, as shown, confirming that the magnitude of 

hysteresis approaches an asymptotic value at low temperatures. 

y = ‐1065.7x + 11.438

y = ‐935.19x + 10.3

0

2

4

6

8

10

0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

ln(P

0)

1/T (1/K)

Adsorption

Desorption

Point of intersection

Page 51: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  50 

 

Figure 2.5. (a) – (e) Adsorption and desorption isotherms for CH4 on Fe(bdp) at temperatures of (a) 323K, (b) 248K obtained from the fitting to experimental data and (c) 175K, (d) 115K, and (e) 100K projected by the pressure‐induced LJM model. The adsorption and desorption transition pressures, P0,ads and P0,des  are shown in (a) where they are farthest apart and (d) where they are equal at the 

point of intersection. (f) Area enclosed by each pair of adsorption and desorption isotherms calculated graphically for each of the temperatures shown in (a) – (e) plus four additional 

temperatures.  

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Page 52: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  51 

2.3.2 A thermodynamic model for hysteresis 

Hysteresis is explained by pore opening np  lp transitions being different to the reverse pore closing 

lp  np transitions. This is attributed to the fact that, once expanded to lp state under pressure, the 

material remains in lp state even when the pressure is reduced and does not contract back to np state 

until  the  pressure  is  sufficiently  reduced  and  reaches  a  threshold  contraction  pressure.  From 

thermodynamic considerations, a host free energy penalty needs to be paid for the creation of new 

surface when expansion occurs from np  lp during adsorption. For the reverse transition from lp  

np, no new surface needs to be created and hence no host free energy penalty is required.  

Schneeman et al. [57] depict this as an energy barrier between the np and lp phases that can be used 

to  describe  hysteresis  qualitatively.  A  detailed  discussion  on  the  free  energy method  to  analyse 

structural transition behaviour is presented by Numaguchi et al. [68] while a full derivation of the host 

free energy equations is provided by Coudert et al. [69]. Using a similar approach, we attempt to draw 

host  energy  vs  deformation  diagrams  for  isothermal  adsorption/desorption  cycles  of  breathing 

adsorbents in figure 2.6. The first diagram in figure 2.6(a) shows the scenario where we expect to see 

hysteresis remain constant at a low asymptotic value as the temperature is less than or equal to the 

temperature, Ti, at the point of intersection. In this case, the material is already predominantly in the 

lp phase even before any adsorption. However, a small fraction of the framework still remains in the 

np phase  regardless of how  low  the  temperature  is. Thus only a small host  free energy penalty  is 

required to create the extra surface and expand these few collapsed cells during adsorption. During 

desorption,  no  host  free  energy  penalty  is  required  and  hence  the  energy  paths  taken  during 

adsorption  and  desorption  become  very  close  to  each  other  giving  rise  to  a minimal  amount  of 

hysteresis.  

Figure  2.6(b)  shows  the  energy  path  followed  during  adsorption  and  desorption  when  the 

temperature is greater than Ti. A larger fraction of unit cells is now in the np phase and therefore, a 

higher host  free energy penalty  is  required  for np   lp  transition during adsorption  to  create  the 

Page 53: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  52 

additional surface in the lp phase. However, during desorption, the shortest energy path is followed 

for the lp  np transition as there is no need for the creation of any additional surface and hence no 

energy barrier.  Thus,  the breathing‐out pressure becomes  smaller  than  the breathing‐in pressure 

giving rise to hysteresis.  

The situation when the temperature  is even higher  is shown  in figure 2.6 (c).    In this case, a  larger 

fraction of unit cells  is  in the np phase and hence a  larger surface needs to be created for np  lp 

transition during adsorption requiring a larger host free energy penalty. However, the reverse lp  np 

transition  during  desorption  still  follows  the  shortest  energy  path  requiring  no  host  free  energy 

penalty. Therefore, the difference between the breathing‐in and breathing‐out pressures  is higher, 

manifesting in a larger hysteresis. 

To summarise,  the hysteresis observed  in a MOF’s stepped  isotherm  is due  to  the energy penalty 

associated with increasing host surface area as np  lp. No such energy barrier needs to be overcome 

for the reverse  lp  np structural change: hence the  isotherm’s desorption branch corresponds to 

thermodynamic equilibrium, while the adsorption branch reflects the system accessing metastable 

states. This indicates that the np  lp structural transition is entropically driven with the lp state being 

less‐ordered than the np state. Consequently, the np  lp transition should be endothermic and can 

only take place when the magnitude of the enthalpy of adsorption is greater than the magnitude of 

the enthalpy associated with the np  lp transition [66, 70]. The reverse transition lp  np should be 

exothermic. 

 

 

 

 

 

Page 54: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  53 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2.6. Energy paths followed during adsorption/desorption cycles when (a) T ≤ Ti where hysteresis is at its low asymptote as the energy paths during adsorption and desorption are closest to each other, (b) T > Ti giving rise to hysteresis as the energy path during adsorption is longer than 

that during desorption and (c) T >> Ti where the effect of hysteresis is larger as the difference between the energy paths during adsorption and desorption are greater. 

Hos

t fre

e en

ergy

Deformation

lp np

Host free energy penalty

(b) T > Ti

Hos

t fre

e en

ergy

Deformation

lp np Host free energy penalty

(c) T >> Ti

Hos

t fre

e en

ergy

Deformation

lp

(a) T ≤ Ti

Host free energy penalty

np

Page 55: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  54 

The prediction of Ti is an interesting and useful artefact of the pressure‐induced LJM model. Although 

it  does  not  directly  incorporate  the  physical mechanism  causing  the  hysteresis,  it  is  useful  for 

predicting the extent to which hysteresis can be minimized in a particular breathing material. This can 

become an  important design parameter  should a particular process using  the adsorbent  consider 

hysteresis as undesirable. 

The breathing pressure coefficient, k, is a measure of the effect of temperature on the phase transition 

of flexible adsorbents. As can be seen in figure 2.4, the slope of breathing‐out pressures (lp  np) vs. 

temperature is smaller than that for the breathing‐in pressures (np  lp) vs. temperature. That is: 

kdes < kads 

This means that,  

When T > Ti, then P0,ads > P0,des 

When T < Ti, then P0,ads < P0,des 

When T = Ti, then P0,ads = P0,des 

 

Structurally, the difference in kads and kdes implies that the effect of temperature on phase transitions 

between np and lp phases are not the same during adsorption and desorption. When P0,ads > P0,des, the 

transition from collapsed to expanded state (np  lp) is retained even when the stress is relaxed, and 

the pressure falls below the breathing‐in pressure which caused the transition in the first place. Only 

when  the  stress  is  further  relaxed,  and  the  pressure becomes  sufficiently  lower  and  reaches  the 

breathing‐out pressure does the reverse transition from the expanded to the collapsed state (lp  np) 

take place. However, as the temperature is reduced, the framework’s tendency to retain its expanded 

state begins to diminish. Thus, the difference between the breathing‐in and breathing‐out pressure 

also decreases and the adsorption and the desorption branches converge. Consequently, kdes < kads  

becomes a necessary condition for hysteresis to appear in breathing isotherms. 

Page 56: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  55 

2.3.3 CH4 on Co(bdp) 

As another example, a similar approach was taken to model CH4 adsorption and desorption on another 

flexible MOF, Cobalt‐1,4‐benzenedipyrazolate, abbreviated as Co(bdp)  [48]. 3‐D  schematics of  this 

compound in both collapsed and expanded forms are shown in figure 2.7. The pressure‐induced LJM 

model regressed on experimental isotherms and the Clausius‐Clapyron plots are presented in figure 

2.8. The model  is able to quantitatively describe all adsorption and desorption  isotherms at all five 

reported temperatures between 273 K and 323 K, as shown in figure 2.8(a) and (b) with a regression 

R2 of 0.998 for adsorption and 0.994 for desorption. As with the previous regression, the ‐ΔH value of 

14 kJ/mol predicted by  the model was  in close agreement with  the 13.5 kJ/mol  (expanded) value 

reported in the experimental work [48]. The values of the other classical and LJM parameters are also 

meaningful and listed in Appendix A3. For CH4 adsorption on Co(bdp), the temperature below which 

hysteresis remains at its low asymptotic range is predicted to be ~ 175K. 

  

Figure 2.7. 3D depiction of the solid‐state transformation of Co(bdp) from collapsed phase at 0 bar (Low  ) to expanded phase at 30 bar  (High  ) [48]. 

 

 

Page 57: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  56 

 

 

Figure 2.8. The pressure‐induced LJM model regressed on isothermal (a) adsorption and (b) desorption of CH4 on Co(bdp). Experimental data has been collected from reference [48]. The 

model’s ability to quantify breathing isotherms at all five reported temperatures is demonstrated for both (a) adsorption and (b) desorption where solid and hollow symbols denote experimental data and the solid curves represent the pressure‐induced LJM model. (c) Plots for ln (P0) vs. 1/T for 

adsorption (breathing‐in) and desorption (breathing‐out) showing that both sets of points fall on a straight line and justifying the use of the Clausius‐Clapyron equation and predicting the existence of 

a point where P0,ads = P0,des.  

2.4 Experimental work 

As discussed above, the pressure‐induced LJM model predicts that at a sufficiently low temperature, 

hysteresis  in  an  adsorption/desorption  isotherm  should  become  very  small  and  approach  a  low 

asymptotic value for materials that exhibit breathing behavior.  In order to validate this prediction, 

y = -969.03x + 10.72

y = -579.14x + 8.4942

5

6

7

8

0.003 0.0035 0.004 0.0045 0.005 0.0055 0.006

ln (

P0)

1/T (1/K)

(c)

Point of intersection

Page 58: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  57 

adsorption/desorption experiments were carried out on a breathing adsorbent. The material chosen 

was a synthesized [59] zeolitic imidazole framework composed of Zn metal clusters connected with 

1H‐benzimidazole linkers, abbreviated as ZIF‐7 [66, 71, 72]. 

Figure  2.9  (a)  and  (b)  show  the  pressure‐induced  LJM model  regressed  on  equilibrium  capacity 

measurements,    obtained  using  a  Micromeritics  ASAP2020  instrument,  for  the  adsorption  and 

desorption of pure (>99.97%) CO2 on ZIF‐7 under isothermal conditions for five temperatures between 

233K  and 253K  and pressures up  to 1 bar.   Contrary  to  the previous  cases, using  the  adsorption 

enthalpy for desorption in this case did not produce a good fit. Hence the enthalpy of adsorption was 

used as separate fitting parameter for adsorption and desorption. This value was ‐ΔH = 28 kJ/mol for 

adsorption and ‐ΔH = 28.9 kJ/mol for desorption. These values are in close proximity to the 27.6 kJ/mol 

value  reported  by  Arami‐Niya  et  al.  [59]  obtained  by  fitting  the  Langmuir‐Freundlich  model  to 

measurements from high pressure experiments up to 40 bar. The fits indicate that the model is able 

to  quantitatively  describe  both  adsorption  and  desorption  isotherms  at  these  temperatures.  The 

regression R2 was 0.994 for adsorption and 0.97 for desorption. The values of the other classical and 

LJM parameters are also meaningful and listed in Appendix A3. 

The Clausius‐Clapyron plot for ln(P0) vs 1/T is shown in figure 2.9 (c). This plot shows that the slope of 

the breathing‐out branch is just slightly lower than the breathing‐in branch meaning that considerable 

extrapolation of  the  lines are  required  to  reach  the point of  intersection, which corresponds  to a 

temperature of 109K. Thus, although the original intent was to conduct measurements at the point of 

intersection,  this  plot  shows  that  the  temperature  at  that  point  is  outside  the  limits  of  our 

experimental apparatus. 

In order  to  study hysteresis,  four  sets of experimental adsorption and desorption  isotherms were 

compared with those obtained from the pressure‐induced LJM model for temperatures between 233K 

and 247K. This comparison  is shown  in figure 2.10 (a) –  (d). The area between the adsorption and 

desorption isotherms can be used as a measure of hysteresis at each temperature. Both the shape of 

Page 59: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  58 

this area as well as  the onset of hysteresis appear  to be  in agreement with  the model.   This area 

becomes  progressively  smaller  as  the  temperature  is  reduced,  as  predicted  by  the  LJM model. 

Although the lowest temperature (233K) allowed by our apparatus for performing the experiment was 

well  above  the  predicted  Ti  of  109K  for  this material, we  still  observed  significant  reduction  in 

hysteresis. Figure 2.10 (e) shows magnitudes of this enclosed area calculated graphically for each pairs 

of isotherms and plotted against temperature. An exponential trendline can be fitted through these 

points which also confirms  that hysteresis decreases with  temperature and reaches an asymptotic 

value. We consider this observed trend of diminishing hysteresis with decreasing temperature to be 

in agreement with the pressure‐induced LJM model’s prediction.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 60: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  59 

 

Figure 2.9.  The pressure‐induced LJM model regressed on low pressure isothermal (a) adsorption and (b) desorption of CO2 on ZIF‐7. Measurements were made using a Micromeritics ASAP2020 

instrument. (c) Clausius‐Clapyron plots for ln (P0) vs. 1/T for isothermal adsorption (breathing‐in) and desorption (breathing‐out) of CO2 on ZIF‐7 between 233K and 247K showing that both sets of points 

fall on a straight line and predicting the existence of a point where P0,ads = P0,des. 

 

Page 61: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  60 

Page 62: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  61 

 

 

Figure 2.10. (a) – (d) Results of adsorption/desorption experiments of CO2 on ZIF‐7 illustrating the diminishing effect of hysteresis with decreasing temperature. The area between the adsorption and desorption isotherms can be used as a measure of hysteresis at each temperature. (e) Area enclosed by each pair of adsorption and desorption isotherms calculated graphically for temperatures up to 

283K.  

2.4.1 Hysteresis in non‐breathing adsorbents 

Morishige and Tateishi [73] conducted single component isothermal adsorption/desorption of Ar, O2 

and CO2 on  SBA‐16 ordered mesoporous material, which  is  a non‐breathing  solid  adsorbent with 

cagelike ink‐bottle pores, over a wide range of temperatures and pressures. In remarkable contrast to 

our observations with  flexible  adosrbents,  they  reported hysteresis  in  these materials  to become 

Page 63: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  62 

larger  at  lower  temperatures  and  diminish  and  eventually  disappear  completely  at  higher 

temperatures for all three gases [73]. They suggested that adsorption and desorption in an ink‐bottle 

pore  is  similar  to  the process of disappearance and  formation of a gas bubble  in a  liquid droplet 

confined to the pore. For the formation and disappearance of these vapor bubbles, an energy barrier 

needs to be overcome, which gives rise to hysteresis. At higher temperatures, it is easier to overcome 

this energy barrier and hence hysteresis diminishes. 

Neimark et al [74] presented results from a study involving capillary condensation hysteresis resulting 

from  low  temperature  sorption of Ar and N2  in nanoporous  cylindrical  channels of MCM‐41  type 

mesoporous siliceous molecular sieves. For Ar, isothermal adsorption/desorption data obtained from 

experiments at 77.9K, 93.9K and 99.9K were compared with results of nonlocal density function theory 

calculations. In this case too, the hysteresis loop decreased in size with temperature, as evident from 

both the experimental data and DFT calculations.  

The examples above, when combined with our observations for Fe(bdp), Co(bdp), and ZIF‐7, show that 

the  effect  of  temperature  on  hysteresis  depends  very  much  on  the  mechanism  of  the 

adsorption/desorption process  taking place. Temperature appears  to have an opposite correlation 

with hysteresis in flexible adsorbents compared to those reported for rigid adsorbents. The reason for 

this, we think, is that in flexible adsorbents, the main cause of hysteresis is structural change in the 

solid itself, whereas in rigid materials adsorption hysteresis is caused mainly by the interaction of the 

fluid molecules with the solid surface.   

The only data we were able to find in the literature where hysteresis had a temperature correlation 

similar to the one we observed for Fe(bdp), Co(bdp), and ZIF‐7 were those reported in 1989 by Burgess 

et al [75], who provided a review of adsorption hysteresis of CO2, N2O and Xe on a number of porous 

materials. In most of these materials, the size of the hysteresis loop was reported to decrease with 

temperature. However, for adsorption of N2O on Vycor glass, hysteresis increased with temperature. 

Likewise, for adsorption of CO2 on porous glass at temperatures below 217K, the hysteresis loop was 

Page 64: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  63 

also  reported  to  expand with  temperature  [75].  For  this material,  hysteresis  peaked  at  ~  217K, 

decreased as the temperature was  further  increased and completely disappeared at temperatures 

above 259K. Low pressure hysteresis in these materials was attributed to swelling of the adsorbent 

which, in many cases, required long periods of degassing at high temperature, in order to return to 

their original form. 

2.5 Further modelling 

2.5.1 CO2 on mmen‐Fe2(dobpdc) and mmen‐Co2(dobpdc) 

After modeling  the adsorption of CH4 on  two  flexible MOFs successfully, an attempt was made at 

modeling breathing behavior with a different gas. For this purpose, experimental data reported by 

McDonald et al [64].  that covered CO2 adsorption on two MOFs, namely Iron(II)‐4,4'‐dioxidobiphenyl‐

3,3'‐dicarboxylate‐N,N'‐dimethylethylenediamine,  abbreviated  as  mmen‐Fe2(dobpdc),  and  Cobalt‐

4,4'‐dioxidobiphenyl‐3,3'‐dicarboxylate‐N,N'‐dimethylethylenediamine,  abbreviated  as  mmen‐

Co2(dobpdc),  was  used.  Isothermal  adsorption  capacity  measurements  were  reported  at  three 

temperatures from 298 K to 323 K for pressures up to 110 kPa, as well as calculated values for the 

enthalpy of adsorption. 

For CO2 adsorption on these materials, no corresponding desorption data was reported. Therefore, it 

was not possible to determine values for P0,des and Ti. The isotherm fits are presented in figure 2.11, 

which confirms that the model is able to successfully quantify CO2 adsorption on both of these MOFs. 

The regression R2 was 0.984 and 0.973, respectively, for mmen‐Fe2(dobpdc) and mmen‐Co2(dobpdc). 

The enthalpy of adsorption predicted by the model was 51.8 kJ/mol for CO2 adsorption on mmen‐

Fe2(dobpdc) which was  in  rough  agreement with  the  reported  value of  57  kJ/mol obtained  from 

density function theory  (DFT) calculations [64]. For CO2 adsorption on mmen‐Co2(dobpdc), the ‐ΔH 

value predicted by  the model was 42  kJ/mol which was also  in  approximate  agreement with  the 

reported value of 47 kJ/mol obtained from DFT calculations [64]. The values of all other parameters 

are also meaningful and are listed in Appendix A3. 

Page 65: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  64 

 Figure 2.11. Demonstration of the pressure‐induced LJM model’s ability to quantify breathing 

isotherms for the adsorption of CO2 on (a) mmen‐Fe2(dobpdc) and (b) mmen‐CO2(dobpdc) at three temperatures reported by McDonald et al [64]. Solid symbols denote experimental data and solid 

curves represent the pressure‐induced LJM model.  

2.5.2 CO2 on amino‐MIL‐53(Al) 

The next dataset used for regressing the pressure‐induced LJM model is the adsorption and desorption 

of CO2 on amino‐MIL‐53(Al) reported by Couck et al. [60] The solid‐state 3D structures of this material 

in np and lp phases are shown in figure 2.12 (a) and (b) respectively. Amino‐MIL‐53(Al) is a well‐known 

MOF and has been studied in great detail [58, 60, 76‐79]. This example was chosen because of high 

adsorption capacity of amino‐MIL‐53 at low pressures (in the first stage of adsorption) that makes the 

shape of the isotherm different from the previous examples. There appears to be a minor low‐pressure 

phase transition taking place around 0.3 bar and the second breathing transition, which seems to be 

the main np  lp phase transition, is apparent at higher pressure. Consequently, a sharp increase in 

the amount of gas adsorbed is featured at low pressures followed by a near‐flat region (saturation of 

the  preliminary  cavities)  and  then  a  subsequent  second  sharp  increase  in  the  uptake. Once  the 

pressure becomes sufficiently high and reaches a threshold, the familiar np  lp transition takes place 

following similar principles described for stepped breathing. 

Page 66: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  65 

  

Figure 2.12. 3D structure of amino‐MIL‐53(Al) in (a) np and (b) lp phases. Color legend – yellow: Al, red: O, gray: C, and blue: N [80]. 

Experimental data for CO2 adsorption and desorption on amine‐functionalised amino‐MIL‐53(Al) was 

used to investigate the pressure‐induced LJM model’s ability to quantify this type of isotherm shape. 

Since desorption data is available, it is possible to determine the point of intersection of the breathing‐

in and breathing‐out pressures with the same approach used for CH4 on Fe(bdp) and Co(bdp). Results 

of the model’s regression to experimental data are shown by the fits  in figure 2.13. As before, the 

desorption  isotherms were  regressed  using only  three parameters, βP,  k  and  Po,ref while  all other 

parameters were fixed at values obtained from the adsorption fit. The regression R2 was 0.995 and 

0.992 for the adsorption and desorption fits respectively. Since only two isotherms are available for 

each  regression,  the uncertainties  in  the parameter  values  are  expected  to be higher  than  those 

obtained from the previous fits. However, as a validation, the enthalpy of adsorption value of 36.7 

kJ/mol predicted by the model is still in agreement with the reported value of 38.4 kJ/mol [60]. Other 

parameter  values  are  also  meaningful  and  listed  in  Appendix  A3.  The  predicted  value  for  the 

temperature  at  the  point  of  intersection  where  P0,ads  =  P0,des  was  Ti  ~  6K.  Since  the 

adsorption/desorption data  is available only at two temperatures, only two points are available for 

plotting the breathing‐in and breathing‐out straight lines in the breathing pressure vs. temperature 

graph, resulting in higher uncertainties in the predicted values. 

(a) np phase (b) lp phase

Page 67: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  66 

 

Figure 2.13. Demonstration of the pressure‐induced LJM model’s ability to quantify double‐stepped breathing isotherms for CO2 (a) adsorption and (b) desorption on amino‐MIL‐53(Al) at two 

temperatures reported in reference [60]. Solid symbols denote experimental data, and solid curves represent the pressure‐induced LJM model. 

2.6 Process simulation 

Simulation has become an integral part of the design exercise for major industrial processes involving 

adsorption.  However,  to  simulate  any  adsorption  process,  an  isotherm model  that  is  capable  of 

successfully quantifying the adsorption isotherms for the adsorbent being used is required. Since no 

such isotherm model is available to date for breathing MOFs, no reliable simulation can be performed 

for the entire range of pressures and temperatures at which breathing behaviour is exhibited. 

Of course, a classical form of the isotherm model such as the Langmuir or the Toth model can still be 

used  to  generate  process  simulation  results.  However,  the  validity  of  those  results  would  be 

questionable at temperatures and pressures at which the adsorption isotherms for the breathing MOF 

deviates from the classical model. A similar approach is seen in the work of Gomez et al. [79] where 

the Dubinin‐Astakhov (D‐A) model is used to introduce adjustments to the exponents of the classical 

adsorption model and subsequently generate a series of simulation results for binary breakthrough 

separation of a CO2/CH4 mixture using amino‐MIL‐53 (Al) as the adsorbent. However, the D‐A model’s 

isotherm  fits with experimental data are  rather poor, even  for  the  single  temperature presented. 

Importantly, the model fails to capture the distinct S‐Shaped feature of the breathing isotherm. Thus, 

Page 68: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  67 

the validity of all simulation results presented using the D‐A model as the isotherm model becomes 

questionable,  especially  near  breathing  conditions  where  the  model  deviates  the  most  from 

experimental data. 

The pressure‐induced LJM model developed and presented in this work can be used as an isotherm 

model for performing process simulations. As this model can successfully predict both the single‐S 

shaped and the double‐stepped isotherms as demonstrated above in the fits with experimental data, 

it is expected that, for breathing MOFs, the results of the simulation will be significantly more reliable 

than any simulation that uses a classical adsorption model as the  isotherm model. To demonstrate 

this, the model was first incorporated into the commercial simulation package ASPEN Adsorption by 

encoding the governing equations into the software so that the model was now available as a user‐

defined  isotherm model  that  could be  selected  to  characterise any adsorption bed/column  in  the 

simulation flowsheet. Two sets of simulations were then performed. The first simulation, as presented 

and discussed in Appendix A5, was the dynamic breakthrough of an equimolar CH4/CO2 mixture using 

a classical isotherm model and how the results differed when the pressure‐induced LJM model was 

used. An equimolar composition was chosen to align with breakthrough experiments for the same 

mixture  conducted  by  Couck  et  al.  [60]  so  that  the  simulation  results  could  be  compared with 

experimental  results  reported  in  the  literature.  The  second  simulation  was  a  pressure  swing 

adsorption simulation as discussed below. 

2.6.1 Pressure swing adsorption simulation of an equimolar CH4/CO2 mixture 

Pressure swing adsorption (PSA)  is a technology widely used for separating gas mixtures.  In recent 

years, PSA applications have been a major motivating factor in the developments of hybrid adsorbents 

including flexible materials such as breathing MOFs. Many of these materials have been designed with 

the objective of providing superior separation performance when compared to traditional adsorbents 

such as zeolite or carbon molecular sieve. One such conventional adsorbent is Zeolite 13X. 

Page 69: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  68 

Figure 2.14 (a) and (b) show pure component adsorption isotherms for CO2 and CH4 respectively on 

amino‐MIL‐53(Al) at 303 K reported by Couck et al. [60] along with the regressed pressure‐induced 

LJM model. If this material is used as an adsorbent in a PSA process at 303 K, the difference between 

the CO2 and CH4 working capacity is highest when the cycle swing pressure is chosen to be around 6.4 

and 20 bar, which corresponds approximately to the pressure across the transition region, as shown 

in figure 2.14 (a) and figure 2.14 (b).  

Pure component CO2 and CH4 adsorption isotherms for Zeolite 13X at the same temperature, obtained 

by regressing the Toth model to published experimental data at three temperatures, are shown  in 

figure 2.14 (c) and (d). The regressions and the resulting parameters of the Toth model are available 

in Appendix A6. The CO2 working capacity of Zeolite 13X is considerably smaller than that of amino‐

MIL‐53(Al), as shown  in figure 2.14 (c). The CH4 working capacity  is also slightly  lower, as shown  in 

figure 2.14 (d). Thus, a PSA process using a cycle swing pressure of 6.4 ‐ 20 bar at 303K with amino‐

MIL‐53(Al)  as  the  adsorbent  is  expected  to  produce  superior  separation  of  a  CH4/CO2  mixture 

compared to a PSA process using Zeolite 13X as the adsorbent. 

In order to demonstrate that using the pressure across the breathing region of a flexible MOF as the 

cycle swing pressure of a PSA process can produce superior separation, a two‐bed PSA process was 

simulated, using  the commercial  simulation package ASPEN Adsorption,  to  separate an equimolar 

mixture of CH4 and CO2 using amino‐MIL‐53(Al) as the adsorbent. The pressure‐induced LJM model 

was used as a user‐defined isotherm model for both beds. The same simulation was then repeated 

using Zeolite 13X as the adsorbent and the classical Toth model as the isotherm model to define the 

adsorption beds. The ASPEN Adsorption flowsheet used for the simulations is shown in Appendix A7. 

For amino‐MIL‐53(Al),  the parameter values obtained  from the regression of  the pressure‐induced 

LJM model on published adsorption data as discussed above and reported in Appendix A3 were used 

as  isotherm parameters. For Zeolite 13X,  isotherm parameters obtained from the regression of the 

Toth model, as shown in Appendix A6, on published CO2 and CH4 adsorption data [81] was used. 

Page 70: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  69 

The column dimensions and the values of the adsorbent properties used are listed in Appendix A7. 

These values have been collected from the literature for both amino‐MIL‐53(Al) and Zeolite 13X [79, 

82]. 

One major  limitation of  the simulation package  that makes  it particularly unsuitable  for modelling 

processes involving flexible adsorbents is that it only allows fixed values for the inter‐ and intra‐particle 

voidage.  For  breathing MOFs,  of  course,  both  these  values  are  expected  to  change  during  the 

adsorption/desorption  processes  as  the MOF  structure  undergoes  transitions  from  collapsed  to 

expanded  states and vice versa. Another  limitation  is  that  for each bed, only one  set of  isotherm 

parameters can be used  for each gas meaning  that  the same parameters are used  to model both 

adsorption and desorption (bed regeneration) , i.e, hysteresis is not accounted for. In spite of these 

limitations, the simulation was carried out. 

The parameters for the PSA cycle are given in Appendix A7. A feed composition of 50% CH4 + 50% CO2 

was used. Initial compositions of the product and the beds were set as equal to the feed. 

Figure 2.15 shows the results of the PSA simulation as a plot of the composition of the product stream 

against time. Amino‐MIL‐53(Al), being CO2 selective in the chosen swing pressure range and having 

higher CO2 working  capacity  compared  to Zeolite 13X,  rapidly brings  the CO2 mole  fraction  in  the 

product stream to less than 0.1 resulting in far superior separation performance compared to Zeolite 

13X, which has a much smaller CO2 working capacity in the given pressure range. 

Page 71: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  70 

 

 

Figure 2.14. Illustration of CO2 and CH4[ [(a) and (b) respectively] isothermal working capacity of amino‐MIL‐53 (Al) for a PSA cycle swing pressure of 6.4 – 20 bar that corresponds to the adsorbent’s CO2 breathing region. Zeolite 13X has a much smaller CO2 working capacity[(c)] in the same pressure range and also a lower CH4 working capacity[(d)]. Hence, under identical conditions, amino‐MIL‐53 (Al) is expected to produce superior CO2/CH4 separation performance compared to Zeolite 13X when 

used as an adsorbent in a PSA process. 

 

 

Page 72: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  71 

 

Figure 2.15. Comparison between amino‐MIL‐53(Al) and Zeolite 13X as adsorbents used in a two‐bed PSA simulation with an equimolar CH4/CO2 feed. Variation in product stream composition with time show that a far superior separation performance can be achieved using amino‐MIL‐53(Al) as the adsorbent. The pressure‐induced LJM model was used as the isotherm model to characterise the adsorbent bed for amino‐MIL‐53(Al) while the classical Toth model was used for Zeolite 13X. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 73: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  72 

2.7 Concluding remarks 

An  empirical  model  has  been  proposed  to  mathematically  express  adsorption  and  desorption 

isotherms  of  gate‐opening  flexible  adosrbents.  The model was  tested  successfully  by  regressing 

literature and experimental data for breathing  isotherms for the adsorption and desorption of CH4 

and  CO2  by  a  number  of  flexible  adsorbents  over  a wide  range  of  temperature.  The model  uses 

considerably  fewer  fitting parameters compared  to other models  that have attempted  to quantify 

breathing isotherms and is particularly useful for process design. Uncertainties in fitting parameters 

were significantly lower compared to the values of the parameters themselves, except for the cases 

where experimental data was available only at a  few  temperatures.   The enthalpies of adsorption 

predicted by the model were in agreement with the reported values for all the gas‐adsorbent pairs 

used in the regressions. 

The  model  is  consistent  with  existing  explanations  of  the  breathing  mechanism  and  includes 

quantification  of  hysteresis.  For  breathing  isotherms  with  hysteresis,  the  model  predicts  that 

hysteresis diminishes with decreasing temperature and reaches a very small asymptotic value when 

the temperature corresponds to the point of intersection of the breathing‐in transition pressure line 

and  the  breathing‐out  transition  pressure  line where  P0,ads  =  P0,des. As  the  temperature  is  further 

reduced, no significant change in the magnitude of hysteresis is expected. The temperature, Ti, at the 

point of intersection is thought of as being the temperature at which the fraction of np unit cells in 

the framework reaches a minimum. This fraction remains unchanged as the temperature  is further 

reduced  suggesting  that, at  low pressures, a  small portion of  the  framework  remains  in np phase 

regardless of how low the temperature is. In order to expand these cells during adsorption, an energy 

barrier must be overcome to create the extra surface for np  lp transition, resulting  in hysteresis. 

Hence, hysteresis in these materials does not disappear completely but is more likely to remain steady 

at an asymptotic value at temperatures below Ti. 

 

Page 74: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  73 

The model  is particularly useful  for  simulating  industrial adsorption processes  involving breathing 

adsorbents.  This  was  previously  not  possible  as  existing  models  were  incapable  of  quantifying 

isothermal adsorption/desorption capacities for materials that exhibit breathing behaviour. 

There  are  observed  variations  in  the  breathing  behaviour,  for  example,  those  including  negative 

adsorption [83], which the current form of the model is unable to quantify. Further understanding of 

the  unusual  structural  transitions  that  cause  these  exceptions  is  required  before  conducting  a 

quantitative analysis. However, the model’s ability to address the most common types of breathing 

isotherms has been well‐demonstrated  in this work, and upon further development,  it  is expected 

that a wider array of breathing phenomena can be accounted for. 

In  the next chapter, we shift our  focus away  from  flexible MOF’s towards more conventional rigid 

adsorbents namely zeolites and activated carbon. We detail a series of experimental attempts to alter 

structures of these materials with the intention of improving their adsorptive separation performance. 

We demonstrate how selectivity and capacity of these adsorbents are affected by certain chemical 

treatment procedures and examine the results in light of specific gas separation applications. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 75: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  74 

Chapter 3 

Effect of Structural Manipulations on Selectivity and 

Capacity of Zeolite Y 

3.1 Introduction 

Pressure  swing  adsorption  (PSA)  is  a  cost‐effective  and  energy‐efficient  technology  that  can 

potentially replace conventional cryogenic distillation as a method to separate N2 from natural gas 

during LNG production. There is a strong interest in the natural gas industry to adopt and implement 

this new technology due to the high power consumption associated with maintaining the conditions 

for distillation‐based separation processes [12, 16, 19]. However, for cost‐effective CH4/N2 separation, 

PSA relies on the availability of adsorbents with high CH4 capacity and high CH4/N2 selectivity [27, 28, 

30]. This desirable combination is unfortunately not found in readily available adsorbents. While some 

recent  developments  involving  metal  organic  frameworks  (MOFs)  have  reported  high  CH4/N2 

selectivity  [84‐86],  the CH4 capacity of  these materials  is  significantly  lower  than  those of existing 

commercially available materials such as activated carbon [28].  

One of the goals of this research project was therefore to develop novel materials that combine both 

desirable  properties  of  capacity  and  selectivity.  The  approach  involved  identifying  structural 

characteristics that play key roles in the adsorption mechanisms of existing materials and developing 

synthesis methods  that  implement  structural modifications  in  order  to  achieve  enhancement  in 

CH4/N2  separation. To determine  the effect of  the performed modifications, a  series of  structural 

characterisations and adsorption analyses were conducted on parent materials, final products and on 

intermediate entities obtained at different stages of synthesis. 

Page 76: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  75 

3.2 Zeolite structures 

For this work, the base materials of primary interest were zeolites. These are microporous adsorbents 

consisting of a crystalline framework of SiO4 and AlO4 arranged  in a regular assemblage forming an 

open‐lattice structure requiring cations, usually Na+ or K+, to balance the negative charges induced on 

the framework by the aluminum atoms [25]. Regularly arranged tetrahedral building units form an 

open crystal lattice within the framework containing uniform pores with no distribution in pore size – 

a unique  feature  that distinguishes zeolites  from other adsorbents such as carbon. These uniform 

pores allow gas molecules of dimensions smaller than the pore size to penetrate the  lattice during 

adsorption  while  preventing  larger  molecules  from  entering  the  pores.  During  desorption,  the 

previously adsorbed molecules are usually readily released  from  the pores allowing  the adsorbent 

material to be regenerated for reuse [25, 87, 88]. 

Due  to  the presence of aluminum,  the zeolite  framework  is  inherently negatively charged as each 

aluminum atom  induces one negative charge on  the  framework.  In order  to balance  this negative 

charge,  cations  are  required  to make  zeolite  structures  stable.  The  cations  commonly  present  in 

zeolites are Na+ and K+. Along with pore size and other structural features, these cations also play an 

important role in determining adsorptive properties of zeolites. Figure 3.1 shows crystal framework 

structure of two common zeolites, namely zeolite X/Y (Faujasite) and zeolite A (Linde Type A). 

 

 

 

 

 

 

Page 77: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  76 

(a)                                    (b) 

 

 

Figure 3.1. Framework of (a) zeolite X/Y and (b) zeolite A [25]. 

 

3.2.1 Role of the cation on the adsorption mechanism 

Physical adsorption involves both van der Waals forces (dispersion‐repulsion) and electrostatic forces 

arising from polarization, dipole and quadrupole interactions. While dispersion‐repulsion forces are 

always  present,  for  adsorbents  such  as  zeolites which  have  an  ionic  structure,  the  electrostatic 

contributions  are  also  significant  [25].  The  total  adsorption  potential, ΦTotal,  is  a measure  of  the 

strength of all interactions taking place and is given by [89]: 

ΦTotal = φadsorbate – adsorbate + φadsorbate – adsorbent (Eq. 3.1) 

where φadsorbate – adsorbate is the potential for interactions between the gas molecules and φadsorbate

– adsorbent is  the potential  for  interactions between  the gas molecules and  the adsorbent  surface. 

Assuming  that  φadsorbate – adsorbate << φadsorbate – adsorbent, the  adsorption  potential  can  be 

approximated as: 

Page 78: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  77 

ΦTotal = φadsorbate – adsorbent  (Eq. 3.2)

Expanding φadsorbate – adsorbent to include the contribution of all the individual forces, ΦTotal 

becomes: 

ΦTotal = φD + φR + φInd + φFμ + φFQ (Eq. 3.3) 

where φD and φR represent  the  interaction potentials due  to  the dispersion  and  repulsion  forces 

respectively, φInd represents the potential due to interaction between the electric field and induced 

dipole, φFμ represents the potential due to interaction between the electric field and permanent dipole 

and φFQ  represents  the  potential  due  to  interaction  between  the  electric  field  and  quadrupole. 

Expanding further, φInd can be expressed as 

12

2                                        (Eq. 3.4) 

where F is the electric field and α is the polarizability, defined as the ease of distortion of the electron 

cloud of an atom or molecule – a property specific to the type of gas molecule being adsorbed [90]. 

CH4, for example, has a polarizability almost 1.5 times higher than N2 [91] Thus, CH4 molecules will 

generate  higher  interaction  potential,  φInd,  than  N2  molecules  when  interacting  with  the  same 

adsorbent. 

The  cation  present  in  the  zeolite  framework  is  an  entity  that  significantly  affects  the  interaction 

potential φInd. A cation directly affects the electric field generated by the zeolite and, being positively 

charged,  also has  the  ability  to polarize or distort  the electron  cloud of  a  target  gas molecule. A 

measure of this cationic ability is a quantity known as polarizing power which varies significantly with 

different types of cations [91]. Thus the cation is an important element of the zeolite structure that 

can be used to manipulate adsorption characteristics. The ability of the cation to influence adsorptive 

properties was taken advantage of in this work by adopting a process called ion‐exchange where the 

Page 79: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  78 

cation of a zeolite  is replaced by another  target cation,  thereby altering adsorption characteristics 

according to requirements. 

3.2.2 Ionic Liquidic Zeolites (ILZs) 

For  a  binary  mixture  at  a  fixed  temperature  and  pressure,  the  equilibrium  selectivity,  α1/2,  of 

component 1 over component 2 s given by [28, 92] 

//

/          (Eq. 3.5) 

where   and   are equilibrium adsorption capacities and  and   are equilibrium mole fractions 

in the gas phase of components 1 and 2 respectively. For single component adsorption of a pure gas, 

equation Eq. 3.5 simplifies to 

/                   (Eq. 3.6) 

The Na+  and  K+  ions  commonly  present  in  zeolites  are  small  in  size meaning  that  the  charge  is 

concentrated in a small volume leading to high charge density. If these ions can be replaced by larger 

monovalent cations, then the charge would be distributed over a  larger spatial dimension and the 

charge density would be lower. This would increase the cation’s “power” to distort the electron cloud 

of a large inbound gas molecule such as CH4 and interact with it more strongly. Thus the interaction 

potential φInd, between the adsorbent and the CH4 molecule can  increase, resulting  in considerably 

higher adsorption capacity and selectivity for CH4 compared to another gas molecule such as N2 which 

is small in size and thereby provides less room for its electron cloud to be distorted. This mechanism 

has  been  supported  by  ab  initio  density  functional  theory  (DFT)  calculations  used  to  estimate 

interaction energies between gas molecules and adsorbent surfaces  [93].   The proposed synthesis 

route for replacement of zeolite cations is through an ion exchange process, where an ionic compound 

in  liquid  state  is made  to  react with a zeolite producing a novel adsorbent material,  termed  Ionic 

Liquidic  Zeolite  (ILZ). Using  this method,  it was demonstrated  in previous work  conducted  in our 

Page 80: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  79 

research group that it is possible to design and implement modifications to zeolite structures which 

will result in enhanced separation performance for CH4/N2 gas mixtures [93]. 

3.2.3 Organic cations 

Organic cations are generally bulky in size and consequently possess higher polarization power than 

small inorganic ions such as Na+ or K+ [93]. One such cation, tetramethylammonium+ (TMA+) found in 

ionic form in its commercially available salt tetramethylammonium chloride (TMA‐Cl), is considered 

as a potential candidate for cation replacement in zeolites. The structure of this salt is shown in figure 

3.2. By performing ion exchange with this salt, the Na+ cations in the Faujasite zeolite NaX or NaY can 

be replaced by TMA+ resulting in the Ionic Liquidic Zeolite TMAX or TMAY. Faujasite is chosen as the 

parent zeolite because it contains a large central cavity pore volume with sufficient room for the TMA+ 

cation. Figure 3.3(a) shows the structure of NaX or NaY while figure 3.3(b) shows a schematic of the 

TMAX or TMAY structure synthesised through ion exchange between Na+ and TMA+ ions. 

3.2.4 Synthesis of TMAY 

With respect to separation of CH4/N2 gas mixtures, TMAY has been the most promising ILZ synthesised 

so far [93]. Its synthesis procedure involved treating a commercially available NaY zeolite in powder 

form (NaY ‐ CBV100 supplied by Zeolyst International) with 0.5 M aqueous TMA‐Cl solution at 40 °C 

for 5 hours in a shaking water bath set at 120 oscillations per minute. The resulting solid was filtered 

and washed twice with deionized water before repeating the treatment for a second round of  ion‐

exchange. After two‐rounds of treatment, the samples were air‐dried in an oven at 80 °C for 12 hours. 

The resulting solid powder was then pelletised by first compressing into compact discs in a hydraulic 

press and then cutting into small pellets. 

 

 

 

Page 81: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  80 

 

 

 

Figure 3.2.  Structure of Tetramethylammonium Chloride (TMA‐Cl) [94]. 

 

(a) (b)

Figure 3.3. (a) Structure of Faujasite zeolite NaX/NaY [89]. (b) Structure of TMA‐X or TMA‐Y synthesised through ion exchange [95]. 

 

Initial experiments with TMA+ & NaX and TMA+ & NaY showed that it is indeed possible to synthesise 

novel adsorbent materials by ion exchange, as described above [93]. However, only about 30% of the 

Na+ cations present in NaY could be replaced with TMA+ while the proportion was much lower with 

NaX. This observation is attributed to the fact that the inner cavity of both NaX and NaY are occupied 

with Na+ ions making it considerably difficult for the larger TMA+ cations to enter the cavity through 

the 12‐member oxygen ring (12MR) aperture of Faujasite. NaY, with a higher Si/Al ratio than NaX, has 

fewer Na+ ions and hence more room for TMA+ to enter the cavity and replace the Na+ ions.  

Page 82: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  81 

The first step in this experimental study was therefore to repeat the synthesis procedure with other 

available variants of  the Faujasite  zeolite with  increasingly higher Si/Al  ratios.  It  should be noted, 

however, that with increasing Si/Al ratios the negative charges on the framework decreases resulting 

in fewer TMA+ cations that are attracted. The goal therefore was to determine the optimum Si/Al ratio 

in Faujasites  that will allow  the highest number of TMA+ cations  to be  introduced  into  their  inner 

cavity. 

Adsorption analyses were performed alongside the synthesis experiments in order to determine single 

component CH4 and N2 adsorption capacity and selectivity of the parent zeolites as well as each new 

adsorbent  material  synthesised.  Comparisons  were  made  in  order  to  evaluate  the  adsorption 

performance of the novel materials relative to each other as well as their parent zeolites.  

Microscopic imaging studies were also performed on the synthesised novel materials as well as their 

parent zeolites in order to detect structural modifications that have been implemented. Facilities at 

the UWA Centre for Microscopy, Characterisation and Analysis (CMCA) were used for imaging‐based 

studies. 

 

   

Page 83: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  82 

3.3 Characterisation of existing zeolite‐based adsorbents 

A number of Ionic Liquidic Zeolite (ILZ) materials were synthesised in our research group prior to the 

start  of  this  project  [93,  96].  In  this work,  a  series  of  characterisation  experiments were  initially 

conducted  to determine  the optimum  composition and experimental  conditions of  the previously 

synthesised adsorbents to use as a basis for further developments. 

3.3.1 Adsorption measurements 

Single  component adsorption analyses were  conducted using a  commercial adsorption analyser – 

Micromeritics ASAP2020. This instrument has an automatic degas functionality where adsorbents are 

subjected to predefined temperature ramping under vacuum. A schematic of the instrument is shown 

in figure 3.4. 

 

Figure 3.4. Micromeritics ASAP 2020 used for single component adsorption analyses.  

The gases used for single component adsorption analysis in the ASAP were supplied by BOC Australia. 

As stated by the supplier the functional purities of these gases were CH4 99.995% and N2 99.999%. In 

this work, these gases are referred to as pure CH4 and pure N2. 

Sample (Degas)

Sample (Analysis)

Glycol Bath

Temperature Control

Page 84: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  83 

3.3.2 Effect of Si/Al ratio 

Adsorption analyses were conducted on two ILZ variants, termed TMAY‐CBV100 and TMAY‐CBV720, 

which were synthesised prior to the start of this doctoral project [97]. Both of these materials were 

synthesised using commercial Zeolite Y powders purchased from Zeolyst International, Netherlands. 

The relevant information regarding the parent materials, as provided by the manufacturer [98], are 

listed in Table 3.1 below. 

Table 3.1. Structural and chemical composition of CBV100 and CBV720 parent zeolites. 

 

 

 

 

The H+ cation present in the parent zeolite of TMAY – CBV720 is smaller in size compared to the Na+ 

cation present in the parent zeolite of TMAY – CBV100. This means the cations occupy less cavity space 

in CBV720 than they do  in CBV100  leading to the expectation that there should be more room for 

bulky TMA+ cations in the CBV720 cavity than in the CBV100 cavity allowing for more TMA+ cations to 

be  introduced during  ion exchange. However,  the  surface area of CBV720  is  smaller  than  that of 

CBV100 implying that the effects of surface area on adsorption are less favourable in CBV720. Both 

ILZs were degassed for 5h at 180 °C under vacuum before performing adsorption analyses. Figure 3.5 

shows  adsorption  isotherms of TMAY  – CBV100  and TMAY – CBV720  for CH4  and N2  at different 

temperatures. The data used in the plots are presented in tabular form in Appendix D1. 

 

 

 

 

 

  Si/Al ratio of parent zeolite 

Nominal cation form in parent zeolite 

BET surface area of parent zeolite (m2/g) 

TMAY – CBV100  2.55 Na+ 900 

TMAY – CBV720  15 H+ 780 

Page 85: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  84 

 

Figure 3.5. Adsorption isotherms at different temperatures for TMAY – (a) CBV100 with CH4, (b) CBV720 with CH4, (c) CBV100 with N2 and (d) CBV720 with N2. 

 

As shown by the plots above, at all temperatures both CH4 and N2 adsorption capacities are higher for 

TMAY‐CBV100  than TMAY‐CBV720. This can be attributed  to  the  fact  that CBV100  surface area  is 

higher than that of CBV720. Also, Na+ is  larger  in size than H+ meaning that  it may have a stronger 

ability to distort electron clouds of CH4 molecules, as explained in section 3.2.2. Thus, the interaction 

potential between the guest molecules and the Na+ cation is likely to be higher than that between the 

guest molecules and the H+ cation. This is also an indication that both ILZs, even after ion exchange 

with TMA+, still contain a significant portion of their original cations whose roles are apparent in their 

adsorption performance. 

 

Page 86: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  85 

3.3.3 Regression to isotherm models 

The Langmuir Isotherm model is widely used in adsorption studies to describe the adsorption of gas 

molecules onto solid adsorbents. This model is based on the assumption that adsorption takes place 

on the surface of the solid adsorbents only as a monolayer of gas molecules on a fixed number of 

vacant sites which are of equal size and shape and can each hold a maximum of one molecule [25, 44]. 

A  constant  amount  of  heat  is  released when  each molecule  is  adsorbed, making  adsorption  an 

exothermic process. Furthermore, dynamic equilibrium exists between the adsorbed gas molecules 

and the free gas molecules such that 

 

where A(g)  is an unadsorbed gas molecule, B(s)  is a vacant  site on  the adsorbent  surface and AB 

represents an adsorbed gas molecule on site B. 

Based on the above assumptions, the Langmuir model can be mathematically expressed as follows: 

          (Eq. 3.7) 

               (Eq. 3.8) 

where q is the quantity adsorbed, qm is the monolayer adsorption capacity, b0 is the gas‐solid affinity 

coefficient, Q is the enthalpy of adsorption, P is the pressure, T is the Temperature and R is the gas 

constant. Figure 3.6 below shows the Langmuir model fitted to the CH4 and N2 adsorption isotherms 

reported above for TMAY‐CBV100 and TMAY‐CBV720. 

 

 

 

Page 87: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  86 

 

Figure 3.6. The Langmuir isotherm model (line) fitted to adsorption data (circles) at ‐15 °C, 0 °C and 30 °C for TMAY – (a) CBV100 with CH4, (b) CBV720 with CH4, (c) CBV100 with N2 and (d) CBV720 with 

N2.  

The values of the Langmuir fitting parameters are listed in Table 3.2 below. 

Table 3.2. Parameters for the Langmuir isotherm model. 

Adsorbent  Gas  qm (mol/kg)  b0 (1/Pa)  Q (kJ/mol)  Fit – Average R2 

TMAY‐CBV100  CH4  3.02  1.17x10‐6  18.5  0.9994 

TMAY‐CBV100  N2  0.996  5.02x10‐6  14  0.9975 

TMAY‐CBV720  CH4  1.04  1.92x10‐5  12  0.9993 

TMAY‐CBV720  N2  0.85  1.27x10‐4  5.4  0.9884 

 

Page 88: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  87 

The enthalpy of adsorption, also known as the isosteric heat of adsorption, is defined as the ratio of 

the infinitesimal change in the adsorbate enthalpy to the infinitesimal change in the amount adsorbed 

[89].  This  is  an  important  parameter  that  gives  a measure  of  energy  favourability  of  adsorption 

processes.  An  adsorption  process  with  a  higher  enthalpy  of  adsorption  is  more  energetically 

favourable than an adsorption process with a lower enthalpy of adsorption. As this quantity is one of 

the  parameters  (Q)  for  the  Langmuir  Isotherm Model,  values  for  enthalpy  of  adsorption  can  be 

extracted  from  Langmuir  fits  to  experimental  data.  These  values  obtained  from  the  experiments 

described above are listed in Table 3.3 along with values reported in the literature. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 89: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  88 

Table 3.3. Comparison of enthalpy of adsorption values obtained in this work with values reported in  

the literature. 

 

 

Among the adsorption processes in this particular experiment, the highest Q value of 18.5 kJ/mol was 

obtained for CH4 adsorption on TMAY‐CBV100. This value is comparable to the reported value of 18.9 

for CH4 adsorption on NaY with a Si/Al ratio close to that of the parent zeolite CBV100. This suggests 

Adsorbent  Si/Al  Gas  This work  Literature (kJ/mol) 

   (kJ/mol)  Talu et 

al. [99] Salem et al. [100] 

Maurin et al. [101] 

TMAY‐CBV100  2.55  CH4  18.5  

TMAY‐CBV720  15  CH4  12  

NaY  2.2  CH4  18.9 

MgY  2.2  CH4  19.5 

CaY  2.2  CH4  22.3 

Zeolite 13X  1.18  CH4  17.53 

Active Carbon AS  ‐  CH4  14.35 

TMAY‐CBV100  2.55  N2  14 

TMAY‐CBV720  15  N2  5.5 

NaX  1  N2  19 ± 0.11 

KX  1  N2  14 ± 0.08 

CaX  1  N2  27 ± 0.16 

Zeolite 13X  1.18  N2  13.91 

Active Carbon AS  ‐  N2  11.95 

Page 90: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  89 

that  replacing  30%  [93]  of Na+  ions  in  the  parent  zeolite  does  not  have  significant  effect  on  the 

enthalpy of  adsorption. However,  it  is notable  that  TMAY‐CBV720 has  a much  lower  enthalpy of 

adsorption for both CH4 and N2 compared to that of TMAY‐CBV100. This is most likely due to the fact 

that CBV100 has a larger BET surface area than CBV720. The lowest enthalpy value of 5.5 kJ/mol was 

obtained  for N2  adsorption  on  TMAY‐CBV720  implying  that  this was  the  least  energy  favourable 

adsorption process. 

As TMAY‐CBV100 produced more desirable results compared to TMAY‐CBV720, the CBV100 variant of 

Zeolite Y was chosen as the parent material for further synthesis of ILZs. Henceforth, unless otherwise 

mentioned, TMAY‐CBV100 will be referred to simply as “TMAY” and the parent zeolite NaY‐CBV100 

will be referred to as “NaY’. 

3.3.4 TMAY vs parent zeolite 

Figure 3.7 shows CH4 and N2 adsorption isotherms for both TMAY and the parent Zeolite NaY at two 

different temperatures. At both temperatures, TMAY has higher CH4 adsorption capacity and lower 

N2 capacity compared to NaY. Both enhancement in CH4 capacity and suppression in N2 capacity are 

attributed to the presence of TMA+ cation. 

TMAY is used as the base reference material in this project. All subsequent results are compared with 

TMAY data  in order to determine whether or not enhancement  in adsorptive separation has been 

achieved over the performance of TMAY. 

 

 

 

 

 

Page 91: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  90 

 

 

Figure 3.7. Adsorption isotherms of TMAY and parent zeolite NaY at (a) 0 °C with CH4, (b) 0 °C with N2, (c) 30 °C with CH4 and (d) 30 °C with N2. 

 

3.3.5 Effect of degassing 

All  results  reported  in  this  section  are  from  adsorption  analyses  of materials  which  have  been 

subjected  to  rigorous degassing procedures  at  elevated  temperatures under  vacuum.  In order  to 

determine  the  effect  of  degassing  on  the  adsorptive  performance  of  ILZs,  single  component 

adsorption analysis using pure CH4 was conducted at two temperatures, 0 °C0 °C and 30 °C0 °C, on a 

TMAY sample that has not been degassed and the isotherms were compared to those from a TMAY 

Page 92: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  91 

sample that has been degassed for 5h at 180 °C under vacuum. The results of this comparison are 

shown in figure 3.8. 

 

Figure 3.8. Adsorption isotherms of degassed and not degassed TMAY at (a) 0 °C with CH4, (b) 30 °C with CH4. 

 

As illustrated by the plots above, if not degassed properly, TMAY completely loses its ability to adsorb 

CH4. A likely explanation of this phenomenon is that the zeolite adsorbs moisture from the atmosphere 

which causes the pores to be completely occupied resulting  in the prevention of adsorption. These 

results align with reported effects of moisture on the adsorption behaviour of zeolites [102]. As such, 

before performing adsorption analyses, all TMA containing compounds were degassed at 180 °C for 

5h under vacuum. NaY was degassed at 300 °C for the same duration. 

3.4 Novel zeolite‐based adsorbents  

3.4.1 Synthesis 

Synthesis of novel materials were carried out using standard wet chemistry procedures that involved 

homogeneous mixing  under  controlled  temperatures.  For  procedures  that  require  temperatures 

below 90 °C, a shaking water bath with controllable temperature and oscillations per minute, as shown 

in figure 3.9(a) was used. For temperatures above 90 °C, a Teflon coated autoclave, with a magnetic 

Page 93: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  92 

stirrer placed inside, was used on an electric hot plate with controllable temperature and rpm. This 

arrangement is shown in figure 3.9(b). Synthesis products were filtered using filter papers and air dried 

in an oven at temperatures ranging between 50 °C and 80 °C. 

(a)              (b) 

    Figure 3.9. (a) Shaking water bath used for synthesis temperatures below 90 °C (b) Teflon autoclave 

and electric hotplate used for synthesis temperatures above 90 °C.  

3.4.2 Effect of intermediate cations 

As the Mg2+ cation is divalent, fewer Mg2+ cations are needed to balance the negative charges on the 

Zeolite framework compared to Na+ ions. Furthermore, as it has been reported that using smaller sized 

organic cations result in higher ion exchange rate [93], our expectation was that Mg2+, being smaller 

in size  than Na+, should also  favour  increased TMA+  introduction. Compared  to  that of NaY,  there 

should be more room in the cavity of an MgY zeolite for introduction of a bulky cation such as TMA+. 

Based on  this hypothesis, attempt was made  to  synthesize a new variant of  ILZ with Mg2+ as  the 

intermediate  cation.  The  synthesis  involved  a  three‐step  ion  exchange  approach  with  Mg2+ 

introduction taking place in the first step and TMA+ introduction taking place in the second and third 

steps. NaY powder was first treated with 0.5 M aqueous MgCl2 for 8h at 50 °C in a shaking water bath. 

The resulting suspension was filtered, washed with DI water and dried before being treated twice with 

0.5 M aqueous TMA‐Cl for another 6h at 40 °C, filtering, washing and drying the product after each 

Autoclave Teflon container Hot plate

Page 94: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  93 

treatment. The resulting material  is referred to as TMA‐Mg‐Y. CH4 and N2 adsorption  isotherms for 

TMA‐Mg‐Y at two temperatures, 0 °C and 30 °C, are shown below in figure 3.10.  

 

 

Figure 3.10. Adsorption isotherms of TMAY, TMA‐Mg‐Y and NaY at (a) 0 °C with CH4, (b) 0 °C with N2, (c) 30 °C with CH4, and (d) 30 °C with N2. 

 

At 0 °C, CH4 adsorption capacity  is clearly enhanced for TMA‐Mg‐Y compared to the parent zeolite 

NaY, although the enhancement is not as much as that produced by TMAY. At 30 °C, no noticeable 

enhancement is seen for TMA‐Mg‐Y. N2 adsorption is suppressed in TMA‐Mg‐Y at both temperatures. 

At 0 °C, N2 suppression is close to that of TMAY while at 30 °C, it is less. As a consequence, both CH4 

capacity and CH4/N2  selectivity are  lower  in TMA‐Mg‐Y  than  in TMAY. These  results  indicate  that 

Page 95: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  94 

amount  of  TMA+  ions  that  have  been  introduced  is  less  in  TMA‐Mg‐Y  than  in  TMAY.  A  possible 

explanation could be that Mg2+ ions are preferred as cations  in the zeolite cavity and are therefore 

difficult to replace, even after repeated ion exchange treatments. 

3.4.3 Effect of alkalinity 

Alkaline medium has been reported to cause the formation of mesopores on the zeolite surface [103]. 

Presence of mesopores should also facilitate the  introduction of bulky cations such as TMA+ during 

ion‐exchange. In order to test the effect this has on adsorption, two new ILZs were synthesised. The 

first material, referred to as TMA‐Base‐NaY, was synthesised using a two‐step process  in which the 

parent zeolite NaY was first treated with 0.5 M aqueous NaOH for 24h at 80 °C followed by filtration, 

drying and a second ion‐exchange treatment with 0.5 M aqueous TMA‐Cl for 6h at 40 °C, also followed 

by filtration and drying. 

CH4 and N2 adsorption isotherms of this material at 0 °C are shown in figure 3.11, along with TMAY for 

comparison. Both CH4 and N2 adsorption  isotherms  for TMA‐Base‐NaY are almost  identical  to  the 

isotherms for TMAY, indicating that there is no apparent effect of this particular alkaline environment 

on the adsorption performance of this ILZ. 

 

Figure 3.11. Adsorption isotherms of TMAY, TMA‐Base‐Y and NaY at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

 

Page 96: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  95 

The second material, referred to as TMAOH‐NaY, was synthesised using a one‐step process in which 

the parent zeolite NaY was treated with 0.5 M aqueous TMAOH for 6h at 40 °C followed by filtration 

and  drying.  The  TMAOH  solution  used  in  the  treatment was  prepared  by  diluting  commercially 

available TMAOH pentahydrate crystals  [(CH3)4N(OH)  ∙5H2O] sourced  from Sigma‐Aldrich Australia.   

CH4 and N2 adsorption isotherms for this material at two temperatures, 0 °C and 30 °C, are shown in 

figure 3.12 below. At 0 °C, both CH4 and N2 adsorption isotherms of TMAOH‐NaY almost overlap with 

that of TMAY.. Thus, no significant change in capacity or selectivity can be observed with TMAOH‐NaY.  

At 30 °C, CH4 capacity of TMAOH‐NaY is lower than that of TMAY and N2 capacity of TMAOH‐NaY is 

higher than that of TMAY, resulting in a loss of CH4/N2 selectivity. Thus, TMAOH‐NaY does not perform 

as well as TMAY for separation of CH4/N2 at 30 °C. 

Page 97: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  96 

 

Figure 3.12. Adsorption isotherms of TMAY, TMAOH‐NaY and NaY at (a) 0 °C with CH4, (b) 0 °C with N2, (c) 30 °C with CH4, and (d) 30 °C with N2. 

 

3.4.4 Effect of H+ cation 

As discussed in section 3.2.2, TMAY‐CBV720, an ILZ synthesised from a parent zeolite containing H+ as 

the cation, did not perform as well as TMAY. However, this material had a Si/Al ratio 7 times higher 

than  that of TMAY.  In order  to determine whether  lower Si/Al  ratio zeolites containing H+ cations 

would have any enhancement in performance, two new zeolites, HY400 and HY600 (manufacturer’s 

brand names: HY – CBV400 and HY – CBV600 respectively), with lower Si/Al ratios were used as parent 

materials for new ILZ synthesis. The relevant properties of these two HY zeolites, as provided by the 

manufacturer Zeolyst International, Netherlands, are mentioned in Table 3.4. 

Page 98: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  97 

Table 3.4. Structural and chemical composition of HY400 and HY600 parent zeolites. 

Parent Zeolite  Si/Al ratio  Nominal cation form in parent zeolite 

BET surface area of parent zeolite (m2/g) 

HY400  2.55 H+ 730 

HY600  2.6 H+ 660 

 

The ion exchange process for synthesizing ILZs using the above materials involves an acid base reaction 

approach anticipated as: 

TMAOH + HY  TMAY + H2O                   (R2) 

HY400 was  treated with 0.5 M aqueous TMAOH  for 6h at 40  °C and  the  suspension was  filtered, 

washed with DI water and dried. The resulting material was termed as TMAOH‐HY400. Using the same 

method with the other parent zeolite, a second variant, termed as TMAOH‐HY600, was synthesised. 

CH4 and N2 adsorption isotherms at 0 °C are shown in figure 3.13 for both materials along with TMAY 

for comparison. 

 

Figure 3.13. Adsorption isotherms of TMAY, TMAOH‐HY600 and TMAOH‐HY400 at (a) 0 °C with CH4,  and (b) 0 °C with N2. 

 

At 0 °C, both CH4 and N2 capacities are highest for TMAY, followed by TMAOH‐HY600 and TMAOH‐

HY400. However, the ratio of CH4 capacity to N2 capacity  is higher for TMAOH‐HY400 compared to 

Page 99: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  98 

that of TMAY and TMAOH‐HY600,  implying that CH4/N2 selectivity  is also higher for TMAOH‐HY400 

compared to the other two adsorbents. 

Using equation Eq. 3.6, at 0 °C and 100kPa, CH4/N2 selectivity for TMAOH‐HY400, TMAOH‐HY600 and 

TMAY respectively are 4.25, 3.92 and 3.91. 

Since  TMAOH‐HY400  produced  considerably  higher  CH4/N2  selectivity  than  TMAY  at  0  °C,  it  is  of 

interest  to  see  how  this  adsorbent  performs  at  30  °C.  Figure  3.14  shows  CH4  and N2  adsorption 

isotherms for TMAOH‐HY400 and TMAY at 30 °C.  

 

Figure 3.14. Adsorption isotherms of TMAY and TMAOH‐HY400 at (a) 30 °C with CH4 and (b) 30 °C with N2. 

 

As with 0 °C, both CH4 and N2 capacities are still higher for TMAY, but the difference between the two 

adsorbents’  capacities,  especially  for N2,  is  lower. Using  equation  Eq. 3.6  to  calculate  the CH4/N2 

selectivity at 30 °C and 100kPa, gives 4.99 for TMAY and 4.03 for TMAY‐HY400. Thus, although TMAY‐

HY400 supersedes TMAY in terms of selectivity at 0 °C, it fails to do the same at 30 °C. 

3.5 Novel carbon‐based adsorbents 

The microporous structure of zeolites is highly beneficial for selective adsorption based on the size of 

the  gas  molecules  –  a  process  known  as  molecular  sieving.  However,  the  sole  presence  of  a 

Page 100: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  99 

microporous network also  imposes a significant  limitation on the diffusion of  larger molecules  into 

and from the active sites confined within the zeolite crystals [31]. As a result, guest molecules are 

unable  to  access  all  the  active  sites  and  a  limitation  is  imposed  on  the  adsorption  capacity. 

Furthermore,  due  to  restricted  access  and  low  diffusion  coefficients,  the  adsorption  kinetics  are 

hindered, even when the micropores are larger than the size of the guest molecules.  

In order to solve the diffusion limitation problem associated with conventional microporous zeolites, 

great efforts have been made over the last decade on finding ways to improve the pore architecture 

of zeolites. Among new materials developed, the most promising are zeolites featuring hierarchical 

porosity with at least two  levels of pore size – the inherent zeolite microporosity and an additional 

level  of  induced mesoporosity.  This  new  architecture  can  be  created  either  by  generating  intra‐

crystalline  mesopores  inside  the  microporous  zeolite  crystals  or  by  inducing  inter‐crystalline 

mesopores in between the nano‐sized zeolite crystals. In hierarchical zeolites, the essential feature of 

selective molecular sieving is provided by the intracrystalline micropores and efficient mass transfer 

is facilitated by the increased diffusivity and reduced diffusion path length due to the presence of the 

mesopore structures [31]. 

The method reported to be most successful in synthesising hierarchical zeolites involves using carbon 

based  mesoporous  materials  such  as  carbon  nanoparticles,  nanotubes,  nanofibers,  aerogels  or 

ordered mesoporous carbons as a template matrix for growing zeolite crystals. Several examples of 

carbon‐templated  zeolites  synthesised using different  types of  carbon materials  as  templates  are 

depicted in figure 3.15. 

 

Page 101: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  100 

 

Figure 3.15. Diagram showing mesoporous zeolite templated by (a) carbon nanoparticles, (b) carbon nanotubes, (c) carbon aerogel and (d) 3D ordered mesoporous 3DOm carbon [31]. 

 

A  second  route  for  synthesizing  hierarchical  zeolites  is  through  demetallization  involving  either 

dealumination or desilication where mesopore structures are introduced into pre‐synthesised zeolite 

crystals through selective removal of aluminium or silicon atoms from the zeolite framework. Figure 

3.16 illustrates the mechanism in one such method that involves desilication. Depending on the Si/Al 

ratio in the zeolite, an alkaline medium can extract Si atoms from the zeolite framework causing the 

formation of mesopores. This effect is most prominent in zeolites with high Si/Al ratio because the Al 

atoms prevent the Si atoms they are bound to through oxygen from being extracted. However, as 

most zeolites contain more Si than Al (Si/Al > 1), an alkaline environment can cause, although to a 

lesser  extent,  desilication  to  take  place  even  in  low  Si/Al  zeolites,  resulting  in  the  formation  of 

mesopores in the zeolite framework [103]. 

This  work  aimed  to  develop  a  zeolite  architecture  consisting  of  both micropore  and mesopore 

structures in order to significantly enhance adsorbent performance for gas separation applications. A 

synthesis  route  similar  to  the demetallization procedure described  above was  employed,  using  a 

commercially available Faujasite type zeolite as the first parent material. However, the method was 

Page 102: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  101 

modified  to  introduce mesoporous  activated  carbon  into  the  zeolite  surface  simultaneously with 

demetallization. This process is fundamentally different from the carbon‐templated zeolite synthesis 

described above as pre‐synthesised stable zeolites are used as the starting material as opposed to 

growing zeolite crystals on a carbon‐template. The resulting materials, termed as Carbon Enhanced 

Zeolites (CEZs), were subjected to characterisation, adsorption analyses and imaging studies and will 

be discussed in detail in Chapter 4. 

Attempt was  then made  to  extend  this  principle  in  synthesizing  ILZs with  a  similar  architecture 

consisting both micropores and mesopores. This was done by adding a simultaneous  ion‐exchange 

process  for  TMA+  introduction  during  the  demetallization  and  carbon  introduction  processes 

described above  for CEZ synthesis. The resulting materials were  termed as Carbon Enhanced  Ionic 

Liquidic Zeolites  (CE‐ILZs) and also  subjected  to  characterisation, adsorption analyses and  imaging 

studies. All adsorbents were degassed for 12h at 200 °C under vacuum prior to conducting adsorption 

analyses. 

 

Figure 3.16. Schematic showing the influence of Si/Al ratio on the desilication effect of MFI zeolites treated in NaOH solution and the associated mechanism of mesopore formation  [103]. 

 

Page 103: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  102 

3.5.1 Acid functionalisation 

Activated carbon, a low‐cost material with a large surface area and a wide pore size distribution, has 

considerable merit in industrial gas adsorption applications [28]. It is known for higher CH4 adsorption 

capacity compared to that of zeolites [28]. However, the CH4/N2 selectivity of this material  is lower 

than  ILZs such as TMAY  [93].  In an effort  to combine  the selectivity of TMAY with  the capacity of 

activated carbon, a series of synthesis procedures were carried out in attempts to produce carbon‐

based materials with selectivity values similar to those of ILZs, while retaining or enhancing the CH4 

adsorption  capacity of activated  carbon. The  synthesis methods were based on using  commercial 

activated carbon as parent materials and performing surface functionalisation that would enable ion 

exchange leading to TMA introduction, as discussed in section 3.2.3. 

As carbon is a non‐ionic (covalent) compound, it is not possible to introduce cations directly into the 

carbon structure, in the manner it is done with zeolites. In order to perform ion‐exchange reactions 

to  introduce cations  into carbon,  it  is first necessary to functionalise the carbon surface. The most 

common method to functionalise carbon, as reported in the literature, is through treatment with a 

concentrated acid [104, 105]. It has been reported that treating the carbon with nitric acid, a strong 

oxidizing agent, results  in carboxyl groups being  implanted on the carbon surface according to the 

reaction [106]: 

 

(R1) 

 

As the carboxyl group contains an H+ ion, it should be possible in theory to replace it with a TMA+ ion. 

Furthermore,  presence  of  ionic  carboxyl  groups  on  the  carbon  surface means  that  electrostatic 

interaction between the adsorbent and specific gas molecules is now enhanced. 

Page 104: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  103 

It should be noted that this approach is a novel attempt to improve adsorption capacity of carbon by 

introducing organic cations to the carbon surface. Acid treatment is used to functionalise the carbon 

surface to enable possible introduction of cations. Acid treatment alone is not expected to produce 

capacity enhancements. The  literature cited above [106] describes acid treatment as a method for 

functionalising carbon surface. 

Norit RB3, a  commercial activated  carbon manufactured by Cabot Corporation, Boston, USA, was 

treated with 35% HNO3 for 6h at 90 °C before filtering out the liquid and adding fresh HNO3 to continue 

the treatment for an additional 3h. The residue was filtered, washed with DI water and dried. A portion 

of this intermediate compound, termed Acid‐Carbon1, was then treated with 0.5 M aqueous TMA‐Cl 

for 6h at 40 °C before being filtered, washed and dried again. The final product is referred to as TMA‐

Carbon1. Using  the  same method  but  changing  the HNO3  concentration  to  60%  and  the  TMA‐Cl 

concentration to 5M, a second variant, termed TMA‐Carbon2, was synthesised. The intermediate acid‐

treated compound  for  this second variant  is referred  to as Acid‐Carbon2. The anticipated  reaction 

scheme is as follows: 

Step 1 – Acid treatment of carbon: 

 

                       

 

Step 2 – TMA exchange of acid treated carbon: 

 

+    2TMA‐Cl            + 2 HCl        

 

TMA

TMA

Page 105: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  104 

CH4 and N2 adsorption  isotherms at 0 °C for both variants are shown  in figure 3.17 and figure 3.18 

along with the baseline for the activated carbon parent material. 

 

 

 

 

Figure 3.17. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3), Acid‐Carbon1 and TMA‐Carbon1 at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

 

Figure 3.18. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3), Acid‐Carbon2 and TMA‐Carbon2 at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

Page 106: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  105 

As illustrated by the plots, acid treatment reduces both CH4 and N2 adsorption capacity of activated 

carbon  and  the  capacities  are  further  reduced  after  treatment  with  TMA‐Cl.  When  the  acid 

concentration  is  increased,  the  suppressions  in  capacities  are  even  greater, both due  to  the  acid 

treatment and the TMA‐Cl treatment. A possible hypothetical explanation of this effect could lie in the 

corrosive nature of the HNO3 used. The acid may cause damages to the pore structure of the carbon 

and effectively reduce the surface area. Accordingly, using higher acid concentration can cause more 

severe damage leading to greater reduction in adsorption capacity. This hypothesis can be tested by 

conducting 77K N2 sorption experiments to measure BET surface area of the parent carbon as well as 

the acid‐treated and the TMA‐exchanged carbons. 

Another explanation could be that the carboxyl groups that functionalise the carbon surface through 

acid treatment block the entrance to the pores and the bulky TMA+ ions that are introduced through 

ion exchange cause further blockage. This theory also explains the greater reduction in capacity with 

increasing acid concentration.   

To  avoid  the  detrimental  effect  of  the  acid  on  the  carbon,  attempt was made  to  perform  TMA‐

exchange directly on the carbon, skipping the acid‐treatment step. Accordingly, the same activated 

carbon parent material was  treated with 5M TMA‐Cl  for 6h at 40  °C and  the  resulting compound, 

referred to as TMA‐Carbon4 was filtered, washed with DI water and dried. Figure 3.19 shows CH4 and 

N2 adsorption isotherms for this material along with those for the parent carbon. 

Page 107: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  106 

 

Figure 3.19. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3) and TMA‐Carbon3 at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

 

As shown  in the plots, both CH4 and N2  isotherms are almost  identical  implying that,  in absence of 

acid, TMA‐Cl has no apparent effect on the carbon. 

Since acid treatment  is necessary for carbon functionalisation but hinders adsorptive performance, 

attempt was made  to  synthesise  another  variant  of  acid‐functionalised  carbon material  using  a 

minimum acid concentration and perform TMA‐exchange with maximum TMA‐Cl concentration. This 

time, the activated carbon was treated with 9% HNO3 for 6h at 90 °C before filtering out the liquid and 

adding fresh HNO3 to continue the treatment for an additional 3h. The residue, referred to as Acid‐

Carbon4, was filtered, washed with DI water and dried. A portion of this intermediate compound was 

then treated with 19M aqueous TMA‐Cl for 6h at 40 °C before being filtered, washed and dried again. 

The end product  is referred to as TMA‐Carbon4. CH4 and N2 adsorption  isotherms for this material 

along with those for the base carbon material are shown in figure 3.20. 

Page 108: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  107 

 

Figure 3.20. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3) and TMA‐Carbon4 at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

 

As shown in the plots, both CH4 and N2 capacities are lower for TMA‐Carbon4 compared to the parent 

carbon, indicating that, the modified treatment procedure is also unable to produce enhancements in 

adsorptive performance of activated carbon. 

3.5.2 Acid base reaction approach 

It is thought that the reaction described in section 3.5.1 is not favourable because the product acid 

HCl  is  stronger  than  the  reactant  carboxylic acid.   The  scheme was  therefore modified  to a more 

favourable  acid‐base  reaction,  as  suggested  in  the  literature  [107],  followed  by  an  ion‐exchange 

process, as described below: 

Acid base step: 

 

+    2 NaOH            + 2 H2O       

 

Ion exchange step: 

Na

Na

Page 109: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  108 

 

   +    2 TMA‐Cl            + 2 NaCl      

 

In order to  implement this modified scheme, Acid‐Carbon4, whose synthesis  is described above  in 

section 3.5.1, was treated with 0.5 M NaOH for 1h at room temperature. After filtering, washing with 

DI water and drying, the residue was treated with 0.5 M TMA‐Cl for 6h at 40 °C and once again filtered, 

washed and dried. CH4 and N2 adsorption isotherms for this material, referred to as TMA‐Acid Base 

Carbon, together with those for the parent carbon are shown in figure 3.21. 

 

 

 

 

 

 

 

 

TMA

TMANa 

Na 

Page 110: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  109 

 

Figure 3.21. Adsorption isotherms of carbon (activated carbon Norit RB3) and TMA‐AcidBaseCarbon at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

The plots show that the modified treatment procedure involving acid base reaction has suppressed 

both CH4 and N2 adsorption capacities of activated carbon by almost the same amount resulting in no 

net  gain  in  either  selectivity  or  capacity.  Thus,  the modified  procedure  also  fails  to  produce  any 

noticeable enhancement in the performance of activated carbon as an adsorbent. 

3.5.3 Alkaline treatment 

As neither  the acid  treatment procedure nor  the modified procedure  involving acid base  reaction 

produced desirable results, it was of interest to see if treatment with a base alone has any effect on 

the  adsorption  performance  of  activated  carbon.  Norit  R2030,  another  commercially  available 

activated carbon also manufactured by Cabot Corporation was used for this analysis. This material was 

treated with 4M NaOH for 6h at 90 °C followed by filtration, washing with DI water and drying. Figure 

3.22 shows CH4 and N2 adsorption isotherms for this material, referred to as Base‐Carbon, along with 

those for the parent material. 

 

 

 

Page 111: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  110 

 

Figure 3.22. Adsorption isotherms of activated carbon and Base‐Carbon at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

As can be seen from the plots above, the isotherms for the parent carbon and the base‐treated carbon 

are identical, indicating that base‐treatment has no apparent effect on adsorption characteristics of 

activated carbon. 

3.5.4 APS functionalisation 

Another method suggested for functionalizing carbon surface  involves the use of acidic ammonium 

persulfate  (APS) as the oxidizing agent  [108‐111]. Prolonged APS treatment at high temperature  is 

reported to enable pore reopening after carbon functionalisation, as depicted in figure 3.23. 

 

 

Page 112: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  111 

 

 

Figure 3.23. Schematic showing pore opening of functionalised carbon surface under increased oxidation temperature and duration [108]. 

In order to  implement this method, activated carbon Norit R2030 was treated with 1M APS  in 2M 

aqueous H2SO4 in a Teflon autoclave for 24h at 120 °C. The residue was filtered, washed with DI water, 

and dried. A portion of this material, referred to as APS‐Carbon, was then treated with 0.5 M NaOH 

for 24h at 50 °C in order to carry out an acid base reaction and subjected again to filtration, washing 

and drying. Finally,  in order to perform  ion exchange, the residual material was treated with 0.5 M 

TMA‐Cl before carrying out the  last round of filtration, washing and drying. CH4 and N2 adsorption 

isotherms at 0 °C for the final product, referred to as TMA‐APS‐Carbon and the intermediate product, 

APS‐Carbon, are shown in figure 3.24 along with the isotherms for the parent carbon material. 

 

 

 

 

 

 

Page 113: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  112 

 

 

Figure 3.24. Adsorption isotherms of activated carbon, TMA‐APS‐Carbon, and APS‐Carbon at (a) 0 °C with CH4 and (b) 0 °C with N2. 

 

As illustrated by the plots, APS treatment reduces both CH4 and N2 adsorption capacities for activated 

carbon. However, TMA‐exchange causes the capacities to increase again, although they are still lower 

than the capacities of the parent materials. The increase in CH4 capacity due to the presence of TMA+ 

was seen in the case of ILZs and can be explained by increased interaction between CH4 and TMA+. 

However, the  increase  in N2 capacity after TMA exchange  is a phenomenon that was not observed 

with ILZs and is difficult to explain at this stage. In any case, as this effect causes loss in selectivity, the 

results of  this experiment  show  that  the modified  synthesis  route  involving APS  functionalisation 

followed by TMA exchange  is also not successful  in enhancing adsorptive performance of activated 

carbon with respect to CH4/N2 separation. 

3.5.6 Carbon Enhanced Ionic Liquidic Zeolites 

As a further attempt to improve CH4/N2 selectivity of Carbon enhanced zeolites, a modified synthesis 

procedure involving a one‐step reaction scheme was employed.  A mixture of 10% activated carbon 

Norit R2030 and 90% NaY by mass was treated with 0.5 M aqueous TMAOH for 24 h at 80 C. This 

scheme  is anticipated  to enable simultaneous execution of  three processes:  (i) TMA‐exchange,  (ii) 

Page 114: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  113 

formation of mesopores due to the alkaline environment and (iii) carbon  introduction. The residue 

was filtered, washed with DI water and dried. Figure 3.25 shows CH4 and N2 adsorption isotherms of 

this material, termed Carbon‐E‐TMAY1, at 0 °C and 30 °C. 

 

Figure 3.25. Adsorption isotherms of activated carbon, Carbon‐E‐TMAY1, TMAY and NaY at (a) 0 °C with CH4, (b) 0 °C with N2, (c) 30 °C with CH4 and (d) 30 °C with N2. 

 

At 0 °C, CH4 adsorption capacity of Carbon‐E‐TMAY1 is 20% higher than that of TMAY and 79% higher 

than NaY while N2 adsorption capacity of Carbon‐E‐TMAY1 is 15% higher than TMAY but 18% lower 

than NaY. At 30  °C, CH4 adsorption capacity of Carbon‐E‐TMAY1  is 8% higher  than TMAY and 51% 

higher than NaY while N2 adsorption capacity of Carbon‐E‐TMAY1 is 30% higher than TMAY but 41% 

Page 115: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  114 

lower than NaY. Table 3.5 below shows a relative comparison of CH4 capacity and CH4/N2 selectivity 

for four materials: activated carbon R2030, Carbon‐E‐TMAY1, TMAY and the parent zeolite NaY. 

Table 3.5. Comparison of CH4 capacity and CH4/N2 selectivity of Carbon‐E‐TMAY1 with competitor adsorbents for CH4/N2 separation. 

Temperature  

& Pressure 

0 °C, 1 bar 30 °C, 1 bar 

Adsorbent  CH4 Capacity(mmol/g) 

CH4/N2

selectivity CH4 Capacity (mmol/g) 

CH4/N2 selectivity 

Activated Carbon R2030  1.22 2.93 0.75 3.12 

Carbon‐E‐TMAY1 1.03 4.12 0.54 4.13 

TMAY  0.86 3.91 0.5 4.99 

NaY  0.57 1.84 0.35 1.6 

 

At 0 °C, both CH4 capacity and CH4/N2 selectivity of Carbon‐E‐TMAY1 exceeds that of TMAY, making 

Carbon‐E‐TMAY1 the first material to outperform TMAY in terms of both capacity and selectivity at 0 

°C, although Carbon‐E‐TMAY1 is still unable to exceed the selectivity of TMAY at 30 °C. CH4 Capacity 

of activated carbon is the highest at both temperatures but in terms of selectivity, it falls behind 

both TMAY and Carbon‐E‐TMAY1. 

3.6 Concluding remarks 

In this chapter, we have demonstrated, experimentally, that critical structural features such as pore 

architecture, chemical composition, crystal structure, surface morphology and presence of organic 

cations play vital  roles  in determining characteristic properties of adsorbents. We determined  the 

optimum Si/Al ratio for Zeolite Y that produces the most desirable results for CH4/N2 separation and 

used  this  to  synthesise a number of novel adsorbents using NaY as  the parent material. We also 

confirmed  that  using  an  intermediate  cation  such  as  Mg2+  does  not  enhance  the  separation 

performance of the final product. Similarly using a parent zeolite with a smaller cation such as H+ also 

does not produce any desired enhancements. Thus, we established that a parent zeolite Y with a Si/Al 

Page 116: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  115 

ratio of 2.55 and Na+ as the parent cation is likely to produce the most desirable CH4/N2 separation 

enhancements when subjected to TMA‐exchange. 

We also synthesised a number of novel carbon‐based adsorbents  in order  to analyse  the effect of 

treating activated carbon with oxidising agents such as HNO3 and APS and reducing agents such as 

NaOH. Although a number of synthesis  routes have been  reported  in  the  literature  for combining 

carbon  with  zeolite,  the  method  proposed  in  this  work  is  different  in  the  sense  that  it  uses 

commercially available zeolite Y and activated carbon as the raw material and does not require zeolite 

crystals to be synthesised in the laboratory.  

Structural features within adsorbent materials can be manipulated to alter capacity and selectivity; 

however,  the  changes  implemented  do  not  always  produce  desired  results.  For  example,  our 

expectation was that performing TMA‐exchange on acid‐functionalised carbon will result in enhanced 

CH4  adsorption  and  suppressed N2  adsorption  leading  to  higher  CH4/N2  selectivity.  However,  the 

results obtained showed an opposite effect. Likewise, separation performance of CE‐ILZ was similar 

to that of ILZ. Significant enhancement was not observed even after introduction of carbon into the 

TMAY framework.  

In the next Chapter, we demonstrate that massive gains in both CH4 and N2 capacity were observed 

unexpectedly upon introduction of carbon solely on the NaY framework, leading to the formation of 

Carbon Enhanced Zeolite (CEZ). This was an  interesting observation which has been  investigated  in 

detail in Chapter 4 to understand how adsorption occurs on this material and what role carbon plays 

in its enhancement. 

 

 

 

 

 

  

Page 117: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  116 

Chapter 4  

Carbon Enhanced Zeolite 

4.1 Introduction 

Significant amount of work has been done in recent years to develop methods for combining carbon 

with zeolite – a crystalline aluminosilicate material containing a highly ordered network of micropores 

and  a  narrow  distribution  of  pore  size.  The majority  of  this work  has  been  driven  by  industrial 

application of zeolites  in catalysis with a desire to overcome diffusion  limitation by using carbon to 

introduce mesopores either inside or in between zeolite crystals, thereby allowing faster mass transfer 

of  large  reactant and product molecules. Wei et al.  [31] provided a  comprehensive  review of  the 

different methods, primarily based on using carbon templates to grow zeolite crystals, that are used 

for this purpose. 

A method  for  synthesising  carbon‐zeolite  composites,  directed  towards  application  in  adsorptive 

separation of  gas mixtures, was described by  Zhang et  al.  [112]. This method  involves  subjecting 

naturally  occurring  Elutrilithe  to  carbonization,  CO2‐activation  and  hydrothermal  treatment  with 

NaOH followed by surface modifications and calcination. Samples with different carbon‐contents were 

synthesised and the material containing the  largest proportion of carbon was reported to have the 

highest  CH4/N2  selectivity.  Capturing  CH4  from  low  grade  coal  bed methane was  suggested  as  a 

possible application for this adsorbent. 

Coal fly ash, a by‐product of coal‐fired electric power plants, can also be converted into carbon‐zeolite 

composites. Primary objective of doing this is to simply convert an environmentally harmful material 

into a product that  is  less hazardous and can potentially be used  in  industrial applications such as 

adsorption and catalysis. Miyake et al. [113] and Jha et al. [114] described a method based on fusion 

with NaOH followed by hydrothermal treatments that can be used to convert coal fly ash to carbon‐

Page 118: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  117 

zeolite composites. The resulting products were reported to be able to adsorb toxic Pb2+, Cu2+, Cd2+ 

and Ni2+ metal ions from solutions with a suggested application in industrial waste water purification. 

In this work, we present a method, considerably simpler than the ones described above, to enclose 

zeolite crystals in a mesoporos carbon layer, distinguishing that the approach is notably different from 

growing the crystals on a carbon template as described by Wei et al. [31]. Our synthesis route involves 

subjecting  commercially  available  Zeolite  Y  and  activated  carbon  to  standard  wet  chemistry 

procedures  to  enclose  the  zeolite  in  a  mesoporous  carbon  film  and  does  not  require  in‐situ 

preparation of zeolite crystals.  Motivated by widespread use of zeolites in adsorption processes, we 

demonstrate using single‐component CH4 and N2 sorption experiments that the resulting product has 

undergone significant enhancement in adsorption capacity compared to both the original zeolite and 

the  carbon  from  which  it  was  synthesised. We  then  focus  on  understanding  the  cause  of  this 

enhancement by studying the structural changes that took place within the material. In order to do 

this, we employ a series of characterisation techniques, the findings from which are presented and 

discussed in the following sections. 

4.2 Synthesis 

Three adsorbent materials were considered in this work. The first is a commercially available zeolite Y 

(Faujasite), NaY CBV100, obtained from Zeolyst International in powder form. This material, referred 

to  as NaY  in  this work, was  used  in  all  experiments without  any  physical  alteration.  The  second 

adsorbent  is  a  commercially  available  activated  carbon,  Norit  R‐2030,  obtained  from  Cabot 

Corporation in extruded‐rod form. Prior to use in experiments, this material, referred to as C‐R2030, 

was crushed into fine particles in a pneumatic press with an applied pressure of 20,000 psi. 

The third material was synthesised in the laboratory using the two commercially available adsorbents 

described above as parent materials. A mixture of 10% C‐R2030 and 90% NaY by mass was treated 

with a 3M aqueous NaOH solution at 80 °C for 24 hours in a shaking water bath set to 120 rpm. The 

Page 119: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  118 

residue was then collected by filtration and air‐dried at 50 °C for 24 hours. The resulting material is 

referred to as carbon enhanced zeolite (CEZ) and used in all subsequent experiments described in this 

work. Additional products were also synthesised by varying the carbon content of the initial mixture 

as  well  as  the  concentration  of  the  NaOH  solution  used  in  the  treatment.  Results  of  sorption 

experiments conducted on these additional materials that illustrate the effect of carbon content and 

NaOH concentration were used to determine the optimum levels mentioned above and are presented 

in Appendix B1 and B2. 

4.3 Characterisation 

4.3.1 Chemical composition 

Results of Inductively Coupled Plasma (ICP) tests conducted on NaY and CEZ are shown in Table 4.1. 

The results show a decrease in Si content and increase in Al and Na content in CEZ compared to the 

parent NaY. Desilication in zeolites is expected to be caused by NaOH treatment, as reported by Groen 

et  al.  [103]. Due  to  desilication,  some  of  the  Si  is  removed  from  the  zeolite. As  a  consequence, 

percentage of Al in the framework increases leading to an increased concentration of negative charges 

requiring a corresponding counter increase in positively charged Na+. The Si/Al ratio of 2.54 for NaY is 

in close agreement with the Si/Al ratio of 2.55 provided by the supplier. 

Table 4.1. Results of ICP tests conducted on NaY and CEZ. Si/Al ratio was calculated from the results. 

   % by mass  Ratio 

   Na (Mw = 23)  Al (Mw =26.98)  Si (Mw = 28.09)  Si/Al 

NaY  6.72  8.69  23  2.54 

CEZ  8.29  10.24  17.5  1.64 

 

Thermogravimetric Analysis (TGA) was conducted to determine the carbon‐content of NaY, C‐R2030 

and CEZ. The results are shown  in figure 4.1. As expected, the results confirmed that NaY does not 

contain any carbon while C‐R2030 contains about 89% carbon by mass that can combust in air. The 

remaining 11% is likely to be ash and impurities. The mass of CEZ dropped by 14% when combusted 

Page 120: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  119 

in air. Taking  into consideration the 11% ash and  impurities  in C‐R2030, the carbon content of CEZ 

becomes 12%. 

 

Figure 4.1. Results of Thermogravimetric analysis conducted on (a) NaY, (b) C‐R2030 and (c) CEZ. The red line shows the change in mass of the sample with the corresponding change in temperature 

(blue line).  

4.3.2 X‐ray Diffraction 

Figure 4.2 shows results of X‐ray Diffraction (XRD) analysis on CEZ and NaY. Both materials produce 

XRD patterns  typical of  zeolite Y. However,  the pattern  for CEZ has a  left‐shift  compared  to NaY, 

indicating pore expansion. This left‐shift is more pronounced at higher angles. 

Page 121: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  120 

 

Figure 4.2. X‐ray Diffraction (XRD) patterns for NaY and CEZ. 

4.3.3 Surface area and pore volume 

BET  surface  area  and micropore  area  of  NaY,  CEZ  and  C‐R2030  obtained  from  77K  N2  sorption 

conducted individually on all three materials using a Micromeritics ASAP2020 instrument are shown 

in Table 4.2. The mesopore  area was  calculated by  subtracting  the micropore  area  from  the BET 

surface area. Among the three materials, C‐R2030 has the largest BET surface area while CEZ has the 

smallest. This means that a loss in surface takes place during the synthesis process of CEZ, implying 

that some of the walls in between the crystal cavities may have been broken. This effect would reduce 

the  surface  area  but would  create  larger  cavities with  higher  volumes.  Also,  the  contribution  of 

mesopores in the surface area of CEZ is almost double that of NaY. The additional mesopores could 

have been created not only by joining together of smaller cavities to form bigger ones but also due to 

the presence of mesoporous carbon in CEZ. 

 

 

 

Page 122: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  121 

Table 4.2. Surface area measurements of NaY, CEZ and C‐R2030 obtained from 77K N2 sorption. Manufacturer's surface area for NaY (parent zeolite of TMAY ‐ CBV100) is available in Table 3.1. 

Adsorbent  BET Surface Area (m2/g) Micropore Area (m2/g) 

Mesopore area as a % of BET Area 

NaY  648  605  6.6% 

CEZ  601  529  12.0% 

C‐R2030  716  575  19.7% 

 

Total pore volume of NaY, CEZ and C‐R2030 obtained from 77K N2 sorption is shown in Table 4.3. As 

expected, the pore volume of CEZ is higher than that of NaY, further indicating that intracrystalline 

walls have been broken causing larger cavities to be formed. 

Table 4.3. Pore volume measurements of NaY, CEZ and C‐R2030 obtained from 77K N2 sorption. 

Adsorbent  Total pore volume at 1 bar (cm3/g) 

NaY  0.368 

CEZ  0.406 

C‐R2030  0.394 

 

4.3.4 Sorption experiments 

Single component N2 and CH4 sorption experiments were conducted on CEZ, NaY and C‐R2030 at three 

temperatures under isothermal conditions over a pressure range up to 70 bars. As this pressure range 

is well‐outside the operating limits of the ASAP2020, these high pressure sorption experiments were 

conducted  using  a  custom‐built  computer‐controlled  Sieverts  apparatus  [115]  available  at  the 

Hydrogen Storage Research Laboratory of Curtin University. The principal components of this setup is 

outlined below  in  figure 4.3. The gas used was purchased  from BOC Australia and was certified  to 

contain 99.999% N2 and 99.995% CH4 respectively. 

Page 123: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  122 

 

 

Figure 4.3. Setup of the Sieverts apparatus used to conduct high pressure sorption experiments. The sample cell is wrapped in aluminium foil for insulation and submerged into the temperature control 

bath during experiments to maintain isothermal conditions, as shown in the inset. 

 

Enhancement in N2 adsorption capacity 

Single component N2 adsorption  isotherms  for CEZ, C‐R2030 and NaY at 0  °C, 15  °C and 30  °C are 

shown respectively in figures 4.4 (a), (b) and (c). At all three temperatures CEZ displays significantly 

higher N2 capacity than  its parent NaY as well as the C‐R2030 additive. At a pressure of 35 bar, for 

example, the capacity compared to NaY is enhanced by 150% at 0 °C, 167% at 15 °C and 265% at 30 

°C. This  is a remarkable observation given that CEZ contains only 12% carbon and the XRD pattern 

shows typical characteristics of zeolite Y. Furthermore, the capacity of CEZ even exceeds that of the 

C‐R2030 additive. At 35 bar, capacity enhancement over C‐R2030 is 25% at 0 °C, 21% at 15 °C and 19% 

at 30 °C. Interestingly, the enhancement over NaY increases at higher temperature while that over C‐

Page 124: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  123 

R2030 decreases with increasing temperature. As the pressure is further increased, the CEZ isotherm 

reaches a maximum and bends over, a characteristic feature of excess adsorption at high pressure 

[116],[117]. 

 

Figure 4.4. Single component N2 adsorption isotherms for CEZ, C‐R2030 and NaY obtained using a custom‐built computer‐controlled Sieverts apparatus under isothermal conditions at (a) 0 °C, (b) 15 

°C and (c) 30 °C.  

Enhancement in CH4 adsorption capacity 

Isotherms for single component adsorption of CEZ, C‐R2030 and NaY at 0 °C, 15 °C and 30 °C are shown 

respectively in figures 4.5 (a), (b) and (c). Similar to N2 adsorption, CH4 capacity of CEZ is also higher 

than both C‐R2030 and NaY at all three temperatures. At a pressure of 30 bar, the enhancement in 

CH4 capacity over NaY is 12% at 0 °C, 21% at 15 °C and 69% at 30 °C. Although the enhancement is 

Page 125: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  124 

smaller  than  that observed with N2,  the  trend  is  still  the  same, meaning  that  the gain  in  capacity 

increases at higher temperatures. With respect to C‐R2030, the enhancement  in CH4 capacity at 30 

bar is 11% at 0 °C and 8% at 15 °C. At 30 °C, no gain in capacity is observed as the CEZ and C‐R2030 

isotherms almost overlap. Thus, as with N2, enhancement in CH4 capacity over C‐R2030 also diminishes 

with  increasing  temperature.  Hence,  CEZ  displays  similar  temperature‐dependent  enhancement 

trends with both N2 and CH4 but the magnitude of enhancement is greater with N2. 

 

Figure 4.5. Single component CH4 adsorption isotherms for CEZ, C‐R2030 and NaY obtained using a custom‐built computer‐controlled Sieverts apparatus under isothermal conditions at (a) 0 °C, (b) 15 

°C and (c) 30 °C. 

 

Page 126: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  125 

Selectivity 

CH4/N2 selectivity of CEZ, Carbon‐R2030 and NaY at 30 bar calculated by applying Eq. 3.6 to the single 

component isotherm data presented in Figure 4.4 and Figure 4.5 are shown in Table 4.4. 

Table 4.4. CH4/N2 Selectivity of CEZ, Carbon‐R2030 and NaY. 

   CH4/N2 selectivity 

Temperature  & Pressure 

0 °C, 30 bar  15 °C, 30 bar  30 °C, 30 bar 

CEZ  1.3  1.3  1.3 

C‐R2030  1.4  1.5  1.6 

NaY  3.0  3.2  3.0 

 

Although CEZ remains a CH4‐selective adsorbent like its parent materials, CH4/N2 selectivity of CEZ is 

significantly lower than that of NaY and slightly lower than that of Carbon‐R2030. Consequently it is 

also lower than the selectivity of TMAY and Carbon‐E‐TMAY1 at 1 bar which are shown in Table 3.5. 

This  is expected as the enhancement  in N2 capacity  in CEZ  is greater than the enhancement  in CH4 

capacity.  This  indicates  that  the  structural  changes  implemented  in  CEZ  favours  an  increased 

adsorption of smaller molecules compared  to  larger ones. We hypothesise  that  this enhancement 

could possibly be driven by an increase in cavity volume leading to multilayer adsorption. However, 

one concern that remains is that this hypothesis does not fully align with the general expectation that 

small molecule adsorption will be favoured by pores which are comparable in size with the diameter 

of that molecule.  

4.4 Possible mechanism 

A schematic showing the well‐known Faujasite crystal framework of zeolite Y is shown in figure 4.6. 

Adsorption in enabled primarily by the presence of the large supercage located in the crystal interior. 

This supercage is reported to have a window width (pore opening) of 7.4 Å [118] and an internal width 

of 12.5 Å [88]. 

Page 127: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  126 

 

 

Figure 4.6. A model of the Faujasite unit cell. Near the centre of each line segment is an oxygen atom. Silicon and aluminium atoms alternate at the tetrahedral intersections, except that Si 

substitutes for Al at about 4% of the Al positions. Exchangeable cations are found in site I at the centre of a D6R ; site II at the centre of the S6R, or displaced from this point into a supercage; sites I’ and II’ lie in the sodalite cavity, on the opposite sides of the corresponding six‐rings from sites I and II, respectively; site III on a twofold axis opposite a four‐ring inside the supercage and site III’ off site III. The eighth sodalite cavity was removed from this diagram for simplicity and it is orthogonal to 

the surface of this paper. Both figure and caption text are from Ahmed et al. [119].  

The arrangement of Faujasite frameworks in a typical regular pyramid‐shaped NaY particle is shown 

in figure 4.7 (a). The schematic represents a two‐dimensional cross‐section along the vertex of the 

regular pyramid. Figure 4.7  (b)  shows  relative  size of N2 molecules and a path  through which  the 

molecules can enter the supercage in order to be adsorbed. Only monolayer adsorption takes place 

as the fixed volume within the supercage is unable to accommodate sufficient molecules for multilayer 

adsorption. 

 

 

 

 

 

 

7.4 Å

Page 128: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  127 

 

 

 

Figure 4.7. Schematics showing (a) the arrangement of Faujasite frameworks in a typical regular pyramid‐shaped NaY particle and (b) the relative size of N2 molecules and a path through which they can enter the supercage in order to be adsorbed. Only monolayer adsorption is possible as volume inside the cage is insufficient to accommodate additional molecules for multilayer adsorption. 

 

Figure 4.8  (a)  shows  a possible  effect of NaOH  treatment on  the pore  structure within  a  regular 

pyramid‐shaped NaY particle when no carbon  is added. As discussed above and  supported by  ICP 

results, NaOH  removes materials  from within  the zeolite  through desilication. The  resulting effect 

causes a series of walls in between the supercages to be washed away, which essentially joins multiple 

supercages to create a significantly wider cavity with  larger pore volume and smaller surface area. 

However, NaOH has a destructive effect not only on the interior walls of the zeolite particle but also 

on the exterior walls, meaning that gas molecules can now easily pass through the cavities, as shown 

in figure 4.8 (b), without getting adsorbed as there  is no external surface to provide resistance. For 

some cavities, it is possible that only internal walls are affected by NaOH and the exterior walls are 

left  intact.  This  results  in  additional  monolayer  adsorption  leading  to  slight  enhancement  over 

untreated NaY, as reported in Appendix B1.   

The BET surface area and pore volume results discussed above support the notion of gain in volume 

and loss in surface area. 

 

(a) (b)

Page 129: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  128 

 

Figure 4.8. Schematic showing (a) possible effect of NaOH treatment on the pore structure within a regular pyramid‐shaped NaY particle when no carbon is added. Material is removed by desilication causing a series of walls in between the supercages to be washed away, joining together multiple supercages to create a significantly wider cavity with larger pore volume and smaller surface area. (b) Schematic showing the passage of gas molecules through zeolite cavities in absence of exterior 

walls. 

 

Figure 4.9 (a) shows the effect of NaOH treatment when the zeolite is premixed with carbon. This time, 

we hypothesise that the exterior of the zeolite particle is possibly enclosed by a mesoporous carbon 

film. Although NaOH is able to break and wash away silicon walls within the zeolite, it does not have 

the same destructive effect on carbon. As a result the exterior carbon remains  intact and is able to 

provide  a  porous  surface  for  gas molecules  trapped  inside  the  zeolite  cavity  to  be  adsorbed  on. 

Furthermore, with a larger cavity, the volume is now sufficient to accommodate enough molecules to 

allow multilayer adsorption, as  shown  in  figure 4.9  (b). Availability of  sufficient pore volume as a 

prerequisite for multilayer adsorption is in agreement with the BET model [45, 120]. 

 

 

 

 

 

 

(a) (b)

Page 130: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  129 

 

 

 

 

 

 

Figure 4.9. Schematic showing (a) the effect of NaOH treatment when the zeolite is premixed with carbon which causes the exterior of the zeolite particle to be possibly enclosed by porous carbon and (b) multilayer adsorption taking place inside the zeolite cavity as the exterior carbon film 

enables additional molecules to become trapped inside the enlarged cavity. 

 

This mechanism can also be used to explain the greater magnitude of enhancement observed with N2 

than with CH4. A N2 molecule has a diameter of 3.64 Å [121] while a CH4 molecule has a diameter of 

3.99 Å [122]. This means that, under identical conditions, a CEZ particle can accommodate more N2 

molecules than CH4 molecules. A greater number of N2 molecules can therefore undergo multilayer 

adsorption compared to CH4 molecules. 

(a)

(b)

Page 131: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  130 

It should be noted that the above mechanism requires an optimum carbon to zeolite ratio as well 

NaOH concentration. If too much carbon is added, the separate adsorption on carbon alone becomes 

more  pronounced  than  the  combined  effect  of  carbon  and  zeolite  described  above.  If  NaOH 

concentration is too high, the extent of destruction is greater and the overall pore architecture is lost. 

These effects are demonstrated in the sorption results presented in Appendix B2. 

4.5 Further characterisation 

4.5.1 Scanning Electron Microscopy (SEM) 

Figure 4.10  and 4.11  show  images obtained  from  scanning  electron microscopy  (SEM)  conducted 

respectively on NaY and CEZ using a  Zeiss 1555 VP‐FESEM  instrument.  For NaY,  regular pyramid‐

shaped  structures, a characteristic  feature of Zeolite Y, can be  seen.  In addition, as expected,  the 

surface is clean and smooth with sharp edges. For CEZ, however, the morphology is very different. The 

surface has become very coarse and rough. The particles have lost their regular shapes, contain more 

fragments and appear to be stacked together in blocks. Terrains and tracks created by desilication are 

visible along the surface of CEZ. Also, upon close observation, a few pyramid‐shaped structures can 

still be identified. But these particles have lost their sharp edges and the pointed vertex. A pyramid‐

shaped NaY particle in its original form has been marked in figure 4.10. A corresponding CEZ particle 

produced after the possible transformations mentioned above has been marked in figure 4.11.  

Page 132: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  131 

 

Figure 4.10. SEM image of NaY. The texture of the particles is clean and smooth with sharp edges. Pyramid‐shaped particles typical of zeolite Y can be clearly identified. 

 

 

Figure 4.11. SEM image of CEZ. The surface has become rough and coarse with terrains created by desilication. Particles appear to be stacked on top of each other. Pyramid‐shaped particles can still 

be detected. 

 

A typical pyramid‐shaped 

NaY particle  

A CEZ particle, possibly 

wrapped in carbon, 

produced from a pyramid‐

shaped NaY particle 

Page 133: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  132 

4.5.2 Scanning Transition Electron Microscopy (STEM) 

A Scanning Transition Electron Microscopy (STEM) image of CEZ obtained using a FEI‐Titan G2 80‐200 

TEM instrument is shown in figure 4.12 (a). Energy‐dispersive X‐ray Spectroscopy (EDS) mappings for 

C, Si, Al, Na and O on the same STEM image frame are shown respectively in figures 4.12 (b), (c), (d), 

(e) and (f). The EDS mappings show the presence of known elements in CEZ and cover the same area 

and shape as the unmapped STEM image, confirming that all the particles seen in the STEM image are 

CEZ particles. The mapping for carbon has a light green background as a carbon‐coated grid is used to 

hold the sample. However darker green areas covering the same shapes shown in the other mappings 

is clearly distinguishable and appear  to be around exterior surface of  the particles, confirming  the 

presence of carbon in CEZ. We consider this to further support our hypothesis that CEZ particles are 

possibly enclosed by carbon films. Additional High resolution TEM images are available in Appendix 

B5. 

        

Background 

carbon 

Pyramid‐shaped 

CEZ particle, 

possibly wrapped 

in carbon film 

Pyramid‐shaped 

CEZ particle  

(a) (b)

Page 134: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  133 

      

      

Figure 4.12. STEM image of CEZ with (a) no EDS mapping as well as EDS mapping for (b) C, (c) Si, (d) Al, (e) Na and (f) O. Dark green areas in image (b) are more around the exterior of the particles 

confirming that CEZ particles are surrounded by carbon. 

4.5.3 Pore size distribution 

Figure 4.13 shows results of pore size distribution based on surface area of NaY, CEZ and C‐R2030 

obtained from 77 K N2 sorption experiments conducted using a Micromeritics ASAP2020 instrument. 

NaY,  as  expected,  has  a  narrow  distribution  of  pore width  ranging  from  9  to  11  Å.  The  largest 

contribution in surface area comes from 9 Å pores while some contribution is also made by 10 Å and 

(c) (d)

(e) (f)

Page 135: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  134 

11 Å pores. In CEZ, some 9 Å pores are still present; however, the 10 Å and 11 Å pores have completely 

disappeared and 13 Å pores, not originally present in NaY, are detected. This observation is consistent 

with our hypothesis and suggests that the 10 Å and 11 Å pores present  in NaY have been widened 

through desilication to form 13 Å pores in CEZ, as described in the proposed mechanism. Pores of 15, 

18 and 19 Å are also detected in CEZ. These pores were present in C‐R2030 as well and are consistent 

with  the  presence  of  carbon  on  the  exterior  surface  of  CEZ  particles,  as  per  the  mechanistic 

description. 

Results of pore size distribution based on pore volume also confirms the findings discussed above and 

are presented in Appendix B4. 

 

Figure 4.13. Pore size distribution based on surface area of CEZ, NaY and C‐R2030. 

  

 

Page 136: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  135 

4.6 Concluding remarks 

In this work we have demonstrated a method to enhance gas adsorption capacity of a narrow‐pore 

commercially‐available zeolite, which is a Faujasite type Zeolite Y abundant in nature. The method is 

considerably simpler than existing procedures to alter pore‐architecture within zeolites. It uses NaOH 

treatment  to  widen  intra‐crystalline  cavities  through  desilication,  and  carbon  to  enclose  zeolite 

crystals so that gas molecules can be trapped inside – a possible mechanism hypothesised based on 

results of characterisation experiments. For small molecules such as N2, our hypothesis suggests that 

capacity  is enhanced due  to CEZ’s ability  to enable multilayer adsorption as more volume  is now 

available  to  accommodate  higher  number  of molecules.  The  enhancement  in  capacity  has  been 

validated by conducting high pressure isothermal sorption experiments with single component N2 and 

CH4.  The  expansion  in  pore width  through  desilication  has  been  confirmed  by  ICP  analysis,  XRD 

patterns and pore size distribution. The possible encapsulation of zeolite crystals by carbon has been 

supported by TGA, pore size distribution and EDS mapping of STEM images. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 137: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  136 

Chapter 5 

Conclusions and Future Research 

5.1 Conclusions 

The production and use of natural gas as an alternative to oil and coal continues to grow around the 

world due to increasing environmental awareness and concerns. Some of the major sources of natural 

gas  in the world are either surrounded by oceans or thousands of kilometres away  from the  large 

export markets. For these countries, the only feasible way to become global exporters is to have the 

ability and a cost‐effective mechanism to convert billions of cubic metres of natural gas readily into 

liquefied natural gas  (LNG)  so  that  it can be  transported  in  tankers  to  fulfil  shipment orders  from 

anywhere in the world. However, before a raw stream of natural gas can even enter the processing 

stages of an LNG plant, the  impurity contents, mainly CO2 and N2, must be reduced significantly to 

meet the feed gas specifications. Conventionally, amine absorption and cryogenic distillations are the 

two methods used to remove CO2 and N2 respectively from natural gas.  As both of these methods are 

energy‐intensive and increases the unit cost of LNG production due to high power consumptions, the 

natural  gas  industry  is  considering  a  new  process  called  Pressure  Swing  Adsorption  (PSA)  as  an 

alternative  separation  technology  that  is  both  cost‐effective  and  energy‐efficient.  PSA  has  been 

successfully used as a N2‐rejection technology in a number of industrial applications such as small scale 

natural  gas processing  (feed  rates of up  to 15 MMscfd)  [21], purification of biogas  [22, 23]    and 

enrichment of coal mine methane  [24].  In  this work, we addressed  two major  requirements  for a 

successful cost‐efficient implementation of this technology in large scale LNG processing: (i) abundant 

supply of adsorbents with high capacity and selectivity for the target gas components and (ii) reliable 

process simulations to optimise the design parameters of a PSA cycle. 

Page 138: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  137 

In Chapter 2, we presented a novel  isotherm model, with physically meaningful parameters, that  is 

able  to  successfully  capture  the  S‐shaped  breathing  isotherms  exhibited  by  next  generation 

adsorbents such as MOF’s and ZIF’s with high selectivity for target gas mixtures. We demonstrated 

that this model can be applied to both adsorption and desorption breathing using a wide range of 

experimental data from the literature as well as our own laboratory. Furthermore we showed that this 

model can be used to quantify hysteresis in breathing adsorbents including the onset and magnitude 

of hysteresis as a function of both pressure temperature. We validated the model experimentally over 

a wide range of temperatures reaching as low as 233K. To our knowledge no similar work involving 

hysteresis has been reported before in the literature. Finally, we incorporated the functional form as 

an  isotherm model  in  a  commercial  simulation  software  and  successfully  executed  PSA  cycles  to 

predict the performance of a breathing MOF in separating a CH4/CO2 mixture using PSA.  

In Chapter 3, we demonstrated experimentally that adsorptive properties of porous materials can be 

altered by making changes to their pore architecture and chemical composition. Using zeolite Y as the 

parent material we studied the effect of Si/Al ratio, parent and intermediate cations and alkalinity of 

the synthesis medium on pure component CH4 and N2 capacities and resulting CH4/N2 selectivity of 

the  Ionic  Liquidic  Zeolite  (ILZ)  products  synthesised  using  a  previously  established  ion‐exchange 

procedure. Among the different variants of Zeolite Y tested, the parent zeolite with Si/Al ratio of 2.55 

and parent cation of Na+ produced ILZ’s with the highest CH4/N2 selectivity. 

In Chapter 3, we also examined the effect of a number of different treatment procedures described in 

the  literature  on  CH4  and  N2  adsorption  capacities  of  activated  carbon.  These  include  surface 

functionalisation treatments with nitric acid and ammonium persulfate (APS), treatment in an alkaline 

medium and a two‐step treatment procedure in acidic and alkaline mediums. We performed extensive 

characterisation experiments on the parent, intermediate and end products to determine the effect 

of each stage of synthesis on adsorption. Finally, we developed a novel experimental technique to 

introduce  carbon  into  the  frameworks of both  zeolite Y and  the  ILZ TMAY. Although  this did not 

Page 139: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  138 

produce significant enhancements in the CH4/N2 selectivity of the resulting adsorbent over the already 

achieved  selectivity of TMAY,  substantial  gains  in both CH4  and N2  capacity were observed when 

carbon was introduced into the NaY framework using this method. We named this material Carbon 

Enhanced Zeolite (CEZ) and pursued further research to understand the observed results. 

In Chapter 4, we presented Carbon Enhanced Zeolite as a next generation high capacity adsorbent and 

studied  the  structural changes  through a  series of advanced characterisation  techniques  including 

inductively coupled plasma (ICP) analysis, X‐ray diffraction, Pore size distribution, Scanning Electron 

Microscopy  (SEM),  Scanning  Transition  Electron Microscopy  (STEM)  and  Energy‐dispersive  X‐ray 

Spectroscopy (EDS) mapping of STEM images. Based on this study, it was deduced that both carbon 

and the alkaline synthesis medium play complimentary roles in the observed capacity enhancement.  

NaOH treatment causes an expansion of the intra‐crystalline cavities through desilication leading to a 

gain in pore volume which, in turn, enables increased multilayer adsorption.  The role of carbon is to 

enclose  the zeolite crystals  in an exterior porous  layer which, during adsorption,  facilitates higher 

numbers  of  gas  molecules  to  be  “trapped”  inside  the  adsorbent  material.  In  this  chapter,  we 

demonstrated  how  this  proposed mechanism  is  supported  by  the  results  of  the  characterisation 

experiments. 

To conclude, this research work has made two contributions in the field of adsorptive separation of 

gas mixtures. The first involves numerical modeling where a new isotherm model capable of enabling 

process  simulations with  highly  selective  breathing MOF’s  is  developed.  This  is  a major  progress 

towards  the design and  implementation of efficient and  cost‐effective  separation processes using 

these flexible adsorbents.  The second contribution is in material development where a novel method 

to  enclose  naturally  abundant  zeolite  Y  in  an  external  porous  carbon  layer  resulting  in  major 

enhancements in CH4 and N2 capacity has been identified. Supported by extensive characterisations, 

the mechanisms for these enhancements were studied and explained  in detail. This  is a significant 

achievement  in the development of adsorbent materials and can  lead to synthesis of  low‐cost high 

Page 140: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  139 

capacity zeolite‐based adsorbents with potential applications not only in gas separation but also in gas 

storage. 

5.2 Recommendations for future research 

The findings of this research could be used as a baseline for further development of gas separation 

processes through pressure swing adsorption (PSA). Process simulation results obtained by using the 

pressure‐induced LJM model as an isotherm model for flexible adsorbents can subsequently be used 

to  determine  the  optimum  design  parameters  of  a  PSA  cycle  to  deliver  the  best  separation 

performance  from  these  next  generation  adsorbents.  Further  experimental  work  can  also  be 

conducted to extend the pressure‐induced LJM model to other flexible MOF’s, ZIF’s, COF’s etc. over a 

wider range of temperature and pressure. High pressure adsorption experiments are currently being 

conducted within the FSR group to further regress ZIF‐7 adsorption/desorption data to the pressure‐

induced LJM model. 

Carbon enhanced zeolite (CEZ) developed in this work could be the subject of further research on this 

material’s potential application  in gas storage. The method used  in  its synthesis can be applied  to 

achieve substantial gain  in methane capacity of naturally occurring faujasites. Further work can be 

carried out to determine the effect of this method on other large pore zeolites for use in gas storage 

applications.  In  addition,  the  range  of  temperature  and  pressure  used  in  the  isothermal 

adsorption/desorption experiments can be extended to determine the effect of low temperatures and 

high pressures on the observed gains. Furthermore, since the method produced capacity gains  for 

both methane  and  nitrogen,  other  gases  such  as  carbon  dioxide  should  also  be  included  in  the 

experiments. 

 

 

 

Page 141: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  140 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Appendices 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 142: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  141 

Appendix A 

A1 ‐ Development of the pressure‐induced LJM model 

The LJM approach for temperature‐induced guest admission is based on the underlying assumption 

that, because the system of oscillators present within a trapdoor adsorbent possesses a large number 

of degrees of  freedom,  the  energy distribution of  these oscillators  can be modelled  as  a normal 

distribution  [123,  124].  The  LJM  model  for  temperature‐induced  guest  admission  can  then  be 

summarized, mathematically, as [61]: 

Φ 1√

(Eq. A1)

1 (Eq. A2)

where Φ  is  the  cumulative probability  that  a  given oscillator will  admit  a  guest molecule,  T0  the 

threshold  temperature defined as  the  temperature at which half of  the oscillators present  in  the 

system possess an energy greater than  the energy barrier, β  is a parameter that characterises the 

width of the system‐specific distribution in temperature,   is the fraction of external surface sites and 

defects always available for adsorption, n is the adsorption capacity,   is the maximum monolayer 

adsorption capacity, b0 is the gas‐solid affinity coefficient, ΔH is the enthalpy of adsorption, R is the 

gas constant, m is the surface heterogeneity coefficient and T and P respectively are the temperature 

and pressure. It should be noted that the term outside the first square brackets in equation Eq. A2 is 

essentially  the classical Toth model with  the conventional parameters  , ΔH, b0 and m. The  LJM 

contribution  therefore manifests  in  the  term within  the  square  brackets  in  equation  Eq. A1,  and 

contains only two additional parameters  if   is taken to be approximately zero or  is  independently 

estimated or measured. 

Page 143: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  142 

Breathing effect in flexible MOFs is a highly guest dependent transition between collapsed or narrow 

pore  (np) and expanded or  large pore  (lp) phases  that  is characterised by gate‐opening and gate‐

closing  pressures  [62].  Thus,  analogous  to  temperature‐regulated  guest  admission  in  trapdoor 

adsorbents, breathing effect in MOFs can be defined as a pressure dependent phenomenon [56, 57, 

63].  Similar  to  the  threshold  temperature  required  to  overcome  an  energy  barrier, we  define  a 

threshold  transition pressure, P0, as the pressure at which half of the unit cells present within the 

framework  transforms  from  np  to  lp  state. We  term  this  transition  pressure  as  the  “breathing” 

pressure. By assuming that the ensemble of flexible unit cells constitutes a system with a large number 

of degrees of  freedom  [125],  the  fraction of unit cells  in  the expanded state can be modeled as a 

normal distribution as shown in figure A2. Accordingly, for a given pressure P the cumulative fraction, 

ΦP, of unit cells that are in expanded state and will, therefore, admit guest molecules under isothermal 

conditions is given by: 

1√

(Eq. A3)

where βP is a parameter that characterises the width of the system‐specific distribution in pressure. 

 

Page 144: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  143 

 

Figure A1. Distribution of unit cells within the MOF structure. When the pressure is (a) greater than the breathing pressure, more unit cells are in an expanded state than in the collapsed state, i.e, 0.5 < ΦP (P > P0)  ≤ 1, (b) equal to the breathing pressure, number of unit cells in expanded state is the same as the number of unit cells in collapsed state, i.e., ΦP (P = P0)  = 0.5, and (c) smaller than the breathing pressure, fewer unit cells are in expanded state than in collapsed state, i.e, 0 ≤ ΦP (P < P0)  

< 0.5.  

Although  the  admission  of  guest  molecules  in  flexible  MOFs  is  regulated  by  pressure,  the 

transformation  from collapsed  to expanded  states also greatly depends on  temperature. Hence  it 

should be expected that the breathing pressure, P0, would also be a function of temperature:   

          (Eq. A4) 

The  exact nature of  the  function  f (T)  is dictated by  the  interaction between  a particular  flexible 

structure and  the guest molecules being admitted. Du et al. analyzed  the  temperature‐dependent 

structural change of a zeolitic imidazole framework (ZIF‐7) that exhibits breathing behavior during CO2 

adsorption and showed that a plot of the natural logarithm of the empirical transition pressures (P0)  

versus 1/T produces a straight line with a negative slope [66]. This implies that a Clausius‐Clapeyron 

form, as shown below, can be used to model P0 as a function of 1/T:  

 

P = P0

ΦP = 0.5

P > P0

0.5 < ΦP ≤ 1

P < P0

0 ≤ ΦP < 0.5

ΦP = Fraction of unit cells in expanded state

Rejection of guest molecules

(1- ΦP) = Fraction of unit cells in collapsed state

Admission of guest molecules

(a)

(b)

(c)

ΦP represents the shaded area under the curve

Page 145: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  144 

ln ln ,          (Eq. A5) 

where k  is  the slope of  the ln  vs 1/T plot and    ,  is  the  theoretical maximum value  that  the 

breathing pressure can have when T becomes large. Upon rearrangement, equation Eq. A5 becomes: 

, exp           (Eq. A6) 

In this work, equation Eq. A6 is used to substitute P0 in equation Eq. A3 to obtain   as a function of 

both pressure and temperature: 

1,

√       (Eq. A7) 

Equations Eq. A5 – Eq. A7 can then be  incorporated  into a standard adsorption model, such as the 

classical  Toth  equation  [126,  127],  to  obtain  the  pressure‐induced  adsorption  capacity,  np,  of  a 

breathing MOF as:   

1,

√1   (Eq. A8) 

 

A2 ‐ Parameters for the pressure‐induced LJM model  

Parameter  Physical Implication  Units 

βP  A measure of the distribution width  kPa 

P0,ref  Theoretical maximum value of the breathing pressure when temperature becomes large 

kPa 

k   Breathing pressure coefficient (when   is linear)  kPa/K 

  Maximum monolayer adsorption capacity  mol/kg 

b0  Gas‐solid affinity coefficient  1/kPa 

ΔH  Enthalpy of adsorption  J/mol 

m  Surface heterogeneity coefficient  ‐ 

  Fraction of external surface sites accessible to guest molecules  ‐ 

 

 

Page 146: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  145 

A3 ‐ Summary of best‐fit parameters of the pressure‐induced LJM model and their 

associated statistical uncertainties  

      Parameter Values and Uncertainties

Adsorbent  Gas  Mode (mol/kg) 

b0 (1/kPa) 

ΔH(J/mol) 

m P0,ref (kPa) 

βP (kPa) 

k (kPa/K) 

No. of observ. 

R‐sq

Fe(bdp)  CH4  Adsorption  21.244 +/‐  

0.1874 

1.398x10‐6 +/‐ 

2.9289x10‐8 

12773+/‐  

0.00014 

1fixed 

0.09282+/‐ 

0.006529 

90276+/‐ 

5.45x10‐5 

243.99 +/‐ 

0.00058 

1054+/‐ 

0.0166 

242 0.996

Fe(bdp)  CH4  Desorption  ” ”  ” ” ” 37222+/‐ 

2750.9 

169.66 +/‐ 

15.321 

991.93+/‐ 

20.601 

102 0.987

Co(bdp)  CH4  Adsorption  16.267 +/‐ 

0.14923 

1.1102x10‐6 +/‐ 

2.3214x10‐8 

14028+/‐ 

4.19x10‐5 

1fixed 

0.081978+/‐ 

0.0071382 

45258+/‐ 

4.867x10‐5 

316.81 +/‐ 

0.00047 

969.03+/‐ 

0.007253 

159 0.997

Co(bdp)  CH4  Desorption  ” ”  ” ” ” 4886.5+/‐ 

633.67 

107.39 +/‐ 

14.65 

579.14+/‐ 

37.78 

90 0.99

mmen‐ Fe2(dobpdc) 

CO2  Adsorption  4.05fixed 

2.82x10‐10 fixed 

51816fixed 

0.7fixed 

0.2286fixed 

6.801x1010

+/‐ 7.327x10‐9 

1.308 +/‐ 

0.20609 

6990.5+/‐ 

1.5702 

101 0.984

mmen‐ Co2(dobpdc) 

CO2  Adsorption  4.53fixed 

6.22x10‐9 

fixed 42039fixed 

0.7fixed 

 

0.2140fixed 

1.481x1011

+/‐ 3.068x10‐9 

6.2274 +/‐ 

0.91038 

6874.2+/‐ 

1.415 

139 0.973

amino‐ MIL‐53(Al) 

CO2  Adsorption  6.5232 +/‐ 

9.15x10‐6 

4.9115x10‐9 +/‐ 

5.9229x10‐10 

36669+/‐ 

5.28x10‐18 

1fixed 

0.32574+/‐ 

0.0095042 

3x105

+/‐ 1.158x10‐8 

561.7 +/‐ 

1.52x10‐6 

1612.5+/‐ 

1.185x10‐5 

53 0.993

amino‐ MIL‐53(Al) 

CO2  Desorption  ” ”  ” ” ” 5.8148x105

+/‐ 7.843x105 

494.46 +/‐ 

53.621 

2073.4+/‐ 

400.69 

39 0.99

ZIF‐7  CO2  Adsorption  1.9318 +/‐ 

0.0217 

3.2516e‐07 +/‐ 

3.5518e‐08 

29089fixed 

1fixed 

0.2fixed 

7.28e+06 +/‐ 

1.3344e‐07 

0.54632 +/‐ 

0.10041 

3494.6+‐ 

0.0039923 

37 0.994

ZIF‐7  CO2  Desorption  ” ”  29869+/‐ 

107.1 

” ” 1.525e+06+/‐ 

63418 

0.46 fixed 

3324fixed 

66 0.97

For CO2 adsorption on mmen‐Fe2(dobpdc) and mmen‐Co2(dobpdc) and CH4 adsorption/desorption on 

amino‐MIL‐53(Al),  MATLAB  was  unable  to  produce  a  best‐fit  regression  by  allowing  all  seven 

parameters to vary. Therefore,  , b0, ΔH and   were fixed at values obtained by iteration and a three‐

parameter non‐linear regression was carried out in MATLAB. 

For an overwhelming majority of the fits, uncertainties in fitting parameters are significantly smaller 

than the parameter values being reported. Parameter values whose uncertainties are greater than 

100% are highlighted  in red. These are for CH4 adsorption and desorption on amino‐MIL‐53(Al) for 

which isothermal data is available at only one temperature causing the fitting parameters to have high 

uncertainties. 

Page 147: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  146 

A4 ‐ Residual plots 

 

Figure A2. Residuals (nmeas ‐ ncalc) of the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental data for the adsorption of CH4 on febdp reported by Mason et al. [48]. 

 

Figure A3. Residuals (nmeas ‐ ncalc) of the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental data for the desorption of CH4 on febdp reported by Mason et al. [48].

Page 148: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  147 

 

Figure A4. Residuals (nmeas ‐ ncalc) of the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental data for the adsorption of CH4 on cobdp reported by Mason et al. [48]. 

 

Figure A5. Residuals (nmeas ‐ ncalc) of the Pressure‐induced LJM model’s regression on experimental data for the desorption of CH4 on cobdp reported by Mason et al. [48]. 

Page 149: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  148 

A5 ‐ Simulation of the dynamic breakthrough of an equimolar CO2/CH4 mixture 

A dynamic breakthrough  separation of an equimolar binary mixture of CO2/CH4 using amino‐MIL‐

53(Al), for which experimental breakthrough data is available from Couck et al. [60] for comparison, 

was then simulated. The second simulation under identical conditions was then performed using the 

classical Toth model as  the  isotherm model. The experiment conditions such as  feed composition, 

pressure, temperature, flow rate and adsorption column dimensions were taken to correspond to the 

experiment reported by Couck et al. [60] The simulation parameters such as, inter‐ and intra‐particle 

voidage, adsorbent bulk density, radius, and mass transfer coefficients were taken from Gomez et al. 

[79] These along with the experiment conditions are listed in section‐7 below. Isotherm parameters 

were taken from the pressure‐induced LJM model’s regression of measured CO2 and CH4 adsorption 

data [60] for amino‐MIL‐53 (Al), as discussed above. 

The pressure‐induced LJM model fitted on amino‐MIL‐53 (Al) CO2 and CH4 adsorption isotherm data 

from  Couck  et  al.  [60]  at  303K  is  shown  in  figure  A6  (a)  and    (b)  respectively  below.  Also,  the 

corresponding Toth model, without  the  LJM modifications,  is  also plotted. As expected,  the  Toth 

isotherm  deviates  from  the  LJM  isotherm  in  the  breathing  region  for  both  CO2  and  CH4.  To 

demonstrate the effect of this deviation on simulation, three pressures: 1 bar, 11 bar, and 30 bar are 

chosen.

 

Figure A6. Deviation of the Toth model from the pressure‐induced LJM model in comparison to measured isothermal data at 303K for the adsorption of amino‐MIL‐53 (Al) on (a) CO2 and (b) CH4. 

Page 150: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  149 

Results of dynamic breakthrough simulation of an equimolar binary mixture of CO2/CH4 using amino‐

MIL‐53(Al) at  feed pressures of 1 bar, 11 bar and 30 bar are  shown  in  figures A7  (a),  (b) and  (c) 

respectively. 

At 1 bar, as  there are deviations between  the CO2  isotherms predicted by  LJM and Toth models, 

deviations in the breakthrough curves predicted by the two models, as shown in figure A7 (a) are also 

expected. The Toth model predicts significantly higher adsorption capacity for CO2 than LJM does and 

hence it takes much longer for the adsorption bed to become saturated with CO2 before it is released 

in the product stream. The CO2 breakthrough curve predicted by Toth is therefore shifted to the right 

of the CO2 breakthrough curve predicted by LJM. As for CH4, the Toth capacity is also higher but not 

as much as CO2. Therefore, the Toth breakthrough curve is also shifted to the slight right of the LJM 

breakthrough curve. 

At 11 bar, the deviations between the isotherms predicted by the two models are larger, with Toth 

predicting higher capacity for both CO2 and CH4. As a result, the extent of the right‐shift of the Toth 

breakthrough curves compared to the LJM curves is greater, than at 1 bar, for both gases. This is shown 

in figure A7 (b). At 30 bar, there is no difference between the adsorption capacities predicted by the 

two models and hence both breakthrough curves are identical (figure A7 (c)). 

A qualitative comparison with experimental breakthrough data  for amino‐MIL‐53  (Al)  reported by 

Couck et al. [60] shows that breakthroughs of CH4 and CO2 take place at approximately 25 and 100 

seconds respectively which are in agreement with the breakthrough times predicted by the simulation 

using LJM as the  isotherm model. The experimental data, however, also shows roll‐up effect [128] 

which ASPEN Adsorption is unable to simulate.

Page 151: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  150 

 

Figure A7. Comparison between the classical Toth model and the pressure‐induced LJM model used as isotherm models in ASPEN Adsorption for performing column breakthrough simulations of an 

equimolar CO2/CH4 mixture using amino‐MIL‐53 (Al)  as the adsorbent at 303K with a feed pressure of (a) 1.013 bar, (b) 11 bar and (c)  30 bar. 

 

Page 152: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  151 

One  limitation  of  the  simulation  package  in  regards  to  modeling  processes  involving  flexible 

adsorbents  is that  it only allows fixed values for the  inter‐ and  intra‐particle voidage. For breathing 

MOFs, of course, both these values are expected to change during adsorption as the MOF structure 

undergoes transitions from the collapsed to the expanded state. 

A6 ‐ Regression of CH4 and CO2 adsorption isotherms on Zeolite 13X using the Toth 

Isotherm model 

 

Figure A8. The Toth isotherm model regressed to (i) CH4 and (ii) CO2 adsorption data reported by Cavenati et al. [81]. Symbols denote experimental data and curves represent the Toth model. 

 

Adsorbent  Gas  (mol/kg) b0 (1/kPa) ‐ΔH (J/mol)  m 

Zeolite 13X  CH4  10.1 1.55 x10‐06 15600  0.608

Zeolite 13X  CO2  12.9 1.02 x 10‐09 58116  0.199

Summary of parameters used to regress the Toth isotherm model to CH4 and CO2 adsorption data reported by Cavenati et al. [81].  

A7 ‐ Simulation parameters 

(a) Values of adsorbent properties used in ASPEN Adsorption to characterise the adsorption beds: 

Parameter  amino‐MIL‐53(Al) [79]  Zeolite 13X  [129‐131] 

Inter‐particle voidage (Ei)  0.573 0.348 

Intra‐particle voidage (Ep)  0.146  0.3696 

Bulk solid density (RHOs) (kg/m3)   385  1120  

Particle radius (Rp)  (m)  0.00005  0.0007  

Mass Transfer Coefficient (MTC) – CH4 (1/s)  0.5  0.29 

Mass Transfer Coefficient (MTC) – CO2 (1/s)  0.8   1.1 

 

Page 153: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  152 

(b) Dynamic Breakthrough and PSA simulation parameters used in ASPEN Adsorption: 

  Dynamic Breakthrough  PSA 

Feed Composition  0.5 CH4 + 0.5 CO2  0.5 CH4 + 0.5 CO2 

Feed Pressure (bar)  1.013, 11, 30  20.045 

Height of adsorbent layer (m)  0.3   0.3 (both beds) 

Internal diameter of adsorbent layer (m)  0.00216  0.03 

Temperature (K)  303  303.15 

 

(c) Dynamic breakthrough simulation flowsheet: 

(d) (i) PSA simulation flowsheet:

F 1

B 1

P 1

S 1

S 2

Page 154: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  153 

(ii) PSA cycle steps: 

Step No.  Description  Duration  

Step 1 Bed 1 adsorption Bed 2 regeneration (purge) 

1 minute 1 minute 

Step 2 Bed 1 blow down  Bed 2 repressurisation 

Until Bed 1 pressure falls below 6.5 bar Until Bed 2 pressure exceeds 20 bar 

Step 3 Bed 2 adsorption  Bed 1 regeneration (purge) 

1 minute 1 minute 

Step 4 Bed 2 blow down  Bed 1 repressurisation 

Until Bed 2 pressure falls below 6.5 bar Until Bed 1 pressure exceeds 20 bar 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 155: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  154 

Appendix B 

B1 ‐ Effect of carbon‐content 

Different  products were  synthesised  following  the  same method  as  CEZ  but  varying  the  carbon‐

content  of  the  initial mixture while  keeping  the  NaOH  concentration  fixed  at  3M  and  all  other 

conditions the same. Figure B1 shows the single‐component N2 adsorption capacity of these products 

under  isothermal  conditions  at  0  °C  for  pressures  up  to  1  bar,  obtained  using  a Micromeritics 

ASAP2020  instrument. Results for parent, untreated NaY and C‐R2030 are also shown on the same 

plot. 

As shown in figure B1, the product with no carbon‐content has higher N2 capacity than the product 

with 20% carbon‐content as well as the parent NaY and C‐R2030. However,  the product with 10% 

carbon‐content  has  the  highest N2  capacity  amongst  all  adsorbents  shown  in  this  plot.  This was 

therefore chosen as the optimum carbon to zeolite ratio for CEZ. 

 

Figure B1. Effect of carbon‐content. 

Page 156: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  155 

B2 ‐ Effect of NaOH concentration 

Different products were synthesised following the same method as CEZ but varying the concentration 

of NaOH used in the treatment while keeping the carbon‐to‐zeolite ratio of the initial mixture fixed at 

10%C‐R2030+90%NaY and all other conditions the same. Figure B2 shows the single‐component N2 

adsorption capacity of these products under isothermal conditions at 0 °C for pressures up to 1 bar, 

obtained using a Micromeritics ASAP2020 instrument. 

As shown in figure B2, N2 capacity increases as the concentration of NaOH is increased from 2M to 3M 

but falls sharply, to even lower than the 2M treatment, as NaOH concentration is further increased to 

4M. NaOH. Thus, the product treated with 3M NaOH has the highest N2 capacity amongst these three 

adsorbents and was therefore chosen as the optimum NaOH concentration for CEZ. 

 

Figure B2. Effect of NaOH concentration. 

 

Page 157: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  156 

B3 ‐ Toth fittings 

Fittings produced by regressing the classical Toth  isotherm model to results of pure component N2 

adsorption experiments conducted on CEZ, C‐R2030 and NaY at temperatures of 0 °C, 15 °C and 30 °C 

are shown respectively  in figures B3, B4 and B5. Adsorption data until the maximum point of each 

isotherm, prior  to  any decrease  in  capacity due  to  excess  adsorption were used  for  the  fits.  The 

Regression R2 for these fits were 0.996, 0.998 and 0.987 respectively for CEZ, C‐R2030 and NaY. 

 

Figure B3. Toth Fitting of CEZ on N2. 

 

Page 158: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  157 

 

Figure B4. Toth Fitting of C‐R2030 on N2. 

 

Figure B5. Toth Fitting of NaY on N2.  

Fittings produced by regressing the classical Toth isotherm model to results of pure component CH4 

adsorption experiments conducted on CEZ, C‐R2030 and NaY at temperatures of 0 °C, 15 °C and 30 °C 

Page 159: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  158 

are shown respectively in figures B6, B7 and B8. The Regression R2 for these fits were 0.995, 0.999 and 

0.989 respectively for CEZ, C‐R2030 and NaY. 

 

Figure B6. Toth Fitting of CEZ on CH4. 

 

 

Figure B7. Toth Fitting of C‐R2030 on CH4. 

Page 160: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  159 

 

Figure B8. Toth Fitting of NaY on CH4. 

B4 – Pore size distribution (based on pore volume) 

Figure B9  shows  results of Pore  size distribution based on pore volume of NaY, CEZ and C‐R2030 

obtained from 77K N2 sorption experiments conducted using a Micromeritics ASAP2020 instrument. 

These  results  provide  identical  findings  to  those  obtained  from  surface‐area  based  Pore  size 

distribution results. 

 

Page 161: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  160 

 

Figure B9. Pore size distribution based on pore volume of CEZ, NaY and C‐R2030. 

B5 – High resolution TEM images 

TEM images of CEZ obtained using a FEI‐Titan G2 80‐200 TEM instrument are shown in figures S10‐

S11. These  images show particle shapes that confirm the SEM  images reported earlier.  In addition, 

High Resolution TEM images, clearly showing zeolite lattice fringe patterns, obtained using the same 

instrument are shown  in figures S12‐S14. The small fragments seen  in figures S12 and S13 may be 

pieces of carbon which broke‐off from the encapsulating carbon film and became embedded on the 

exterior surface of zeolite particles. 

 

Page 162: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  161 

 

Figure B10. TEM image of CEZ. 

 

 

Figure B11. TEM image of CEZ. 

Page 163: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  162 

 

Figure B12. High Resolution TEM image of CEZ. 

 

 

Figure B13. High Resolution TEM image of CEZ. 

Page 164: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  163 

 

Figure B14. High Resolution TEM image of CEZ. 

 

 

Figure B15. High Resolution TEM image of CEZ. 

Page 165: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  164 

Appendix C 

C1 ‐ Foreword 

This  article  has  been  published  in  Chemical  Communications,  vol.  54.  pp.  3134‐3137,  2018.  It  is 

reproduced  in this appendix as  it  involves motivational works carried out  in the early phase of this 

research  project,  demonstrating  how  a  zeolite’s  chemical  composition  can  play  a major  role  in 

selectivity. 

C2 ‐ The Quest for a Trapdoor Zeolite for Exclusive Admission of CO2 at Industrial 

Working Temperatures  

Tao Du, Xin Fang, Liying Liu, Jin Shang, Bin Zhang, Yichao Wei, He Gong, Shamsur Rahman,  

Eric F. May, Paul A. Webley, Gang (Kevin) Li 

 

High purity molecular trapdoor chabazite with an optimal Si/Al ratio of 1.9 was prepared from fly 

ash.  Gas  adsorption  isotherms  and  binary  breakthrough  experiments  show  dramatically  large 

selectivity of CO2 over N2 and CH4, among the highest  for physisorption based carbon capture at 

industrial operation temperatures. 

Adsorption based separation of carbon dioxide from important industrial gas mixtures such as flue gas 

and  natural  gas  has  gained  worldwide  research  interest  owing  to  increased  environmental  and 

economic  incentives  [132‐134]. High CO2  selectivity and  low manufacture cost are among  the key 

merits to the timely implementation of new carbon capture adsorbents by industry. Conventionally, 

depending on  the difference between gas molecules’ properties, adsorption  selectivity essentially 

relies on  three  separation mechanisms  in physisorption  (the preferred  regime due  to  low energy 

consumption for regeneration), namely equilibrium [135], kinetics [136] and size‐sieving [137]. Carbon 

dioxide  is  known  for  its  large  multi‐poles  and  polarizability  and  able  to  bind  preferentially  to 

adsorbents,  giving  higher  equilibrium  capacity  than  light  components  such  as N2  and  CH4  [138]. 

However, equilibrium selectivity is often limited and rapidly reduced with increasing pressure because 

Page 166: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  165 

of the linear trend of the isotherms of light components [132]. Likewise, kinetic separations frequently 

suffer from reduced mass transfer rates and compromised bed capacity due to short cycle times. Size‐

sieving may claim perfect separations but not readily available when the size difference between the 

two molecules are negligible [139]. 

In contrast, a new physisorption mechanism namely, “molecular trapdoor” [133] which were recently 

discovered  in  small  pore  zeolites,  provides  an  alternative  pathway  to make  ultra‐high  selective 

adsorbents. Molecular  trapdoor  is based on  the ability of  certain gas molecules  to  reversibly and 

temporarily open up the cation blocked 8MRs (eight‐membered oxygen rings) of ~0.38×0.38 nm pore 

apertures the only entrance for the admission of guest molecules into small pore zeolites, such as K‐

CHA, Cs‐CHA, and RHO [133, 139]. Specifically, strong guest molecules (such as CO2) having sufficient 

interaction to deviate the door‐keeping cations are able to enter the zeolite supercage, whereas weak 

molecules  (such  as N2  or  CH4)  are  excluded.  Therefore,  record  high  selectivities,  93  for  CO2/CH4 

separation and 80 for CO2/N2 separation, have been achieved at 273 K and 100 kPa with a r1KCHA 

trapdoor zeolite (i.e. potassium chabazite with Si/Al ratio of 1) in 2012 [133]. However, one limitation 

of  the  trapdoor effect  is  that  adsorption must be  conducted well below  the  threshold  admission 

temperature T0; above this threshold, the door‐keeping cation will gain sufficient thermal energy and 

become mobilized to allow for non‐discriminative admission of molecules and fail the trapdoor effect. 

Recent process demonstration using pressure swing adsorption (PSA) technology for carbon capture 

with kilogram‐scale trapdoor chabazites indicated that CO2 recovery and purity dropped dramatically 

above  291  K  column  temperature  using  an  r2.2KCHA  [140]. Given most  post‐combustion  carbon 

capture processes deal with relatively hot flue gases (313 ‐ 363 K even after washing tower) and the 

adsorption step of a PSA cycle is strongly exothermic due to adiabatic operations [141, 142], there is 

a strong demand to develop a trapdoor zeolite that can exclusively adsorb CO2 at industrially practical 

temperatures. 

Page 167: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  166 

The main objective of this work is to find such a trapdoor zeolite that rejects N2 and CH4 but adsorbs 

CO2 with a working temperature suitable for gas industry, e.g. from sub‐ambient up to 348 K. 

Our strategy to elevate the threshold admission temperature of CH4 and N2 is to increase the energy 

barrier ΔE required for admitting the guest molecules through the cation blocked 8MR doorway. Here 

we use density  functional  theory  (DFT)  calculations  to demonstrate  the  ΔE  for a given gas‐zeolite 

system  has  a  strong  dependence  on  the  density  of  cations  in  the  trapdoor  zeolite.  In  a  typical 

potassium chabazite system (see figure CS3 for detailed 3D structure) [143], we studied the admission 

process of CO2 gas as an example in the scenarios of two different Si/Al ratios, namely 3 and 1, with 

the corresponding chabazite denoted as r3KCHA and r1KCHA, respectively. It is obvious that lower the 

Si/Al ratio, higher the cation density. As shown in figure C1b, the admission energy barrier of ΔE(CO2‐

r3KCHA)  is 22%  lower  than  that of ΔE(CO2‐r1KCHA). This  is because more cations  in  the chabazite 

supercage  can  substantially  increase  the  space hindrance  for  the movement of  the door‐keeping 

cation  and  the  guest molecules,  and  in  the meantime  high  charge  density  in  the  aluminosilicate 

framework will make the cations  less mobile due to  increased charge repulsion. It  is thus expected 

that reducing the Si/Al ratio in KCHA could effectively increase the threshold admission temperature 

T0. In a typical r2.2KCHA, T0 for CH4 and N2 is 266 K and 254 K, respectively [134]. However, attempts 

to produce functional trapdoor chabazite with Si/Al ratio below 2 were not successful due to inherent 

drawbacks of the synthesis method [144] in which alumina hydroxide slurry was used to enrich the Al 

content  of  the  chabazite  and  consequently  inhomogeneous  Si   Al  exchange  and  presence  of 

amorphous alumina in product are unavoidable. 

 

Page 168: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  167 

 

Figure C1. (a) The 8MR and door‐keeping potassium cation movement during CO2 adsorption. (b) Energy profiles for the potassium cation of r1KCHA and r3KCHA. (c) SEM images for r1.9KCHA. (d) XRD patterns of raw fly ash, intermediate and resultant r1.9CHA. (The scales of the atoms in this 

illustration are not in portion). 

 

Herein, we  report  an ultra‐low  Si  trapdoor  chabazite  (Si/Al  = 1.9) with unparalleled CO2/CH4  and 

CO2/N2 adsorption selectivity at industrially practical working temperatures up to 348 K. Importantly, 

this r1.9KCHA was synthesized from coal fly ash through a template‐free hydrothermal method which 

is  very different  from  conventional procedures  reported by others using either organic  structure‐

directing agents or inter‐zeolite conversion from Y procurers [145, 146]. Briefly, selected fly ash with 

Si and Al content close to low silica chabazite was reacted with excessive KOH powder through a high 

temperature fusion process at 923 K for 1 h to break up mullite and quartz phases (figure C1d) and 

Page 169: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  168 

the  resultant mixture was  treated under hydrothermal condition  for 4 days  to produce  the  target 

r1.9KCHA (see Supporting Information below for complete procedure). 

The morphology and structure of the starting material and the end product was examined by scanning 

electron microscope (SEM) and X‐ray diffraction (XRD), respectively. As shown  in figure CS1, the fly 

ash is comprised of particles with a wide size distribution from sub‐micron to 30 micron, in the shape 

of spherical beads, irregular lumps and short needles which is mainly attributed to mullite and quartz, 

according to  literature [145] and their characteristic XRD patterns (figure C1d).  In contrast, the as‐

synthesized  chabazite  (figure  C1c)  presents  a  walnut‐like  shape  with  a  uniform  diameter  of 

approximately 2‐5 micron [147]. High resolution SEM (figure C1c) reveals the “walnuts” are intergrown 

multi‐crystals  of  chabazite.  It  is worth mentioning  that  the morphology  of  our  chabazite  is  quite 

different from those reported before through intercrystal conversion process [138] which exhibited a 

similar morphology to the precursor zeolite Y. Meanwhile, amorphous material was hardly noticeable 

in the SEM images of the as‐synthesized chabazite. High purity high crystalline chabazite phase was 

clearly evidenced by the characteristic XRD (figure C1d).  

The Si/Al ratio of the as‐synthesized chabazite was verified to be 1.9 by XRF analysis. Apart from the 

dominant potassium, other metallic minor components from the fly ash were also partially retained 

in the chabazite giving a product composition of K9.79Fe0.44Ca0.57Al12.25Si23.75O72, suggesting the product 

chabazite has mixed cations. Note that potassium is an effective door‐keeping cation in chabazite, and 

the minimum number of potassium cation required for a chabazite to keep the trapdoor effect is 9 

per  unit  cell  [133], which  is  less  than  the  number  in  the  chabazite  synthesized  from  this work, 

suggesting its potential trapdoor capability. 

The adsorption properties of our r1.9KCHA were analyzed with single component N2, CH4 and CO2, 

respectively. The N2 adsorption on this chabazite at 77K was found to be close to that of nonporous 

powered materials, giving rise to negligible BET surface area, which is typical to trapdoor zeolites. At 

temperatures of 273, 303 and 333 K, the adsorption of both N2 and CH4 still remains negligible, with 

Page 170: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  169 

uptake signals falling in the noise level of the measurement instrument (ASAP 2010, Micromeritics). 

Even at 333 K temperature and 100 kPa partial pressure, the adsorption capacity of N2 and CH4 on 

r1.9KCHA is still below 0.02 mmol/g, about 25‐30 times smaller than that of r2.2KCHA reported in our 

earlier work  [133],  indicating  the  threshold  admission  temperature  T0  for N2  and  CH4  have  been 

substantially elevated to above 343 K. 

On  the  contrary,  a  considerable  amount  of  CO2  was  adsorbed  onto  r1.9KCHA.  At  100  kPa,  the 

adsorption  capacity  at  273K,  303K  and  333K  is  0.81  mmol/g,  1.49  mmol/g,  and  1.54  mmol/g, 

respectively, showing a positive dependence on temperature: greater equilibrium capacity at higher 

temperature. This trend is opposite to that of the normal Arrhenius type physisorption. Certainly, the 

equilibrium adsorption of CO2 will not increase monotonically with temperature, and it peaks around 

333 K and then declines with further increase of temperature. A “bell shaped” isobar of CO2 adsorption 

is  observed  from  figure  CS2, which  is  signatory  to  trapdoor  effect  previously  reported  for weak 

molecules like CH4 and N2 in r2.2KCHA [133, 134]. However, it is rare to see temperature regulated 

admission of CO2 molecules, because CO2 is able to interact strongly with door‐keeping cations due to 

its large quadrupole moment (13.4×10‐40 C∙m2) and polarizability (29.1×10‐25 cm‐3). This study suggests 

if temperature is low enough, it is possible to restrict the pore access of trapdoor zeolites for strong 

molecules like CO2, potentially enabling sieving of polar molecules. 

Page 171: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  170 

 

Figure C2. CO2, N2 and CH4 adsorption isotherms on r1.9KCHA at (a) 273, (b) 303 and (c) 333 K, and (d) breakthrough curve for r1.9KCHA at 348 K and total pressures of 1 bar. 

 

Based on the single component adsorption  isotherms, one can boldly anticipate that the r1.9KCHA 

will exclusively adsorb of CO2 but reject CH4 and N2 in a gas mixture in the temperature region of 273‐

333  K.  However,  such  extrapolation  can  be  risky  as  multicomponent  selectivity  is  not  always 

guaranteed from equilibrium  information of single components, regardless the model of prediction 

(e.g. IAST [148] or extended Langmuir). 

To evaluate the real separation selectivity of CO2 against CH4 and N2 on our r1.9KCHA, multicomponent 

column breakthrough experiments were conducted using gas mixtures of CO2/N2 (or CH4):50/50 at 

temperatures ranging from 303 up to 348 K, at 1 and 3 bar, respectively. In a typical run, a stainless 

steel column containing 25.8 g of tightly packed r1.9KCHA pellets (~1 mm  in diameter) was  initially 

flushed by He and, then switched to the flow of target gas mixtures at the same pressure and the gas 

composition and the mass flowrate at the outlet of the column were recorded as a function of elution 

time  to  give  the  so‐called  breakthrough  curve  (refer  to  Supporting  Information  below  for  full 

Page 172: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  171 

procedure) [96]. As shown by figure 2d, instantaneous elution of N2 occurred right after the gas switch 

along with  the  flush of  the prefilled He, while CO2 was detected at  the outlet after a substantially 

longer time, indicative of negligible loading of N2 but a substantial uptake for CO2. Remarkably, the 

actual CO2/N2 and CO2/CH4 selectivities under these conditions are enormously large (summarized in 

Table CS2), e.g. 688 for the case in figure 2d, as determined from mass balance calculations, which are 

consistent with our earlier anticipations from single component isotherms. 

Table C1. Comparison of the performance of the adsorbing materials with highest CO2 selectivities. 

Compounds Selectivity at 1 bar  CO2 uptake at 

partial pressure (mmol/g) 

Temp. (K) 

Ref. CO2/CH4  CO2/N2 

r1.9KCHA  50/50, 583a 50/50,90 (303 K)a 

50/50,688 (348 K)a 

1.01 (51 kPa, 303 K) 0.83 (51 kPa, 348 K) 

303~348 this work 

r1KCHA  15/85, 79a    1.59 (17.4 kPa)  293  2 r2CsCHA  15/85, 109a    1.63 (17.4 kPa)  293  2 MIL‐53(Cr)  50/50, 3.2a    2.25 (500 kPa)  303  20 porph(Cl‐

)@MOM‐11(Mn2+) 

50/50, 11.9b 

  2.86 (101 kPa)  298  21 

CBZ 50/50, 13.2b 

50/50, 100b  1.56 (51 kPa)  273  22 

Mg‐DOBDC    10/90, 235b  3.84 (10 kPa)  298  23 UTSA‐16    10/90, 58b  1.86 (10 kPa)  298  23 Ni‐MOF‐74    15/85, 30b  3.84 (15 kPa)  298  24,25 HKUST‐1    15/85, 101b  2.64 (15 kPa)  298  26 ZIF‐78     15/85, 30b  0.75 (15 kPa)  298  27,28 mmen‐Cu‐BTTri    15/85, 165b  2.16 (15 kPa)  298  29 

a selectivity were obtained from breakthrough exp., b selectivity were calculated from single‐

component isotherms. 

 

In CO2 capture applications, a high selectivity for CO2 over the other components of the gas mixture is 

essential [135]. The comparison of the performance of as‐synthesized chabazite with common CO2 

adsorbing  materials  are  listed  in  Table  C1.  However,  the  selectivity  factors  obtained  from 

multicomponent  breakthrough  experiments  are  quite  limited.  Many  of  the  selectivity  numbers 

reported  are  calculated  from  the  pure‐component  adsorption  isotherms.  Furthermore,  the  CO2 

selecitivities over N2 are frequently determined at or below 298 K. It would be more realistic to obtain 

ideal adsorbents for post‐combustion carbon capture processes, if the adsorbents can exhibit a high 

Page 173: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  172 

CO2 over N2 selectivity in the range of 313‐3363 K. As shown in Table C1, the selectivities of CO2 over 

N2 and CH4 on our prepared chabazite are dramatically large, which are the highest for CO2 over N2 

and CH4 among all the physisorbents to the best of our knowledge. It is worth mentioning that such 

high  CO2/N2  selectivity was  achieved  at  348  K, within  the  temperature  range  of  real  flue  gases. 

Apparently, as‐synthesized chabazite with unparalleled CO2 selectivities, could be used as an  ideal 

adsorbent for CO2/N2 and CO2/CH4 separation. 

In summary, we have discovered a novel approach to produce low silica chabazites from fly ash. The 

as prepared chabazite was well‐crystallized exhibiting typical walnut‐like shape morphology with a 

uniform size distribution. Adsorption measurements showed dramatically  large selectivities of CO2 

over N2 and CH4 on our chabazite, suggesting promising performance for the separation of real gas 

mixtures  such  as  flue  gas  and  natural  gas  streams.  Additionally,  this work  demonstrates  a  new 

pathway of recycling fly ash for the manufacture of high value added products. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 174: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  173 

CS ‐ Supporting Information (SI) 

CS1 ‐ Experimental section 

The fly ash used in this study was obtained from Shanlu Power Plant, China, and the composition (in 

wt %) is as follows: Si (22.6 wt %), Al (21.6 wt %), Fe (1.4 wt %), and Ca (2.4 wt %). 

The synthesis procedure for chabazite involved two steps viz. fusion and hydrothermal treatment. In 

a typical procedure, 5 g of fly ash was fused with KOH solid in a tube furnace at 923 K for 1 hour, using 

the KOH/fly‐ash mass ratios of 2.5.Then, 5 g of the resulting product was dissolved in 20 ml water with 

vigorously stirring for 30 min, followed by ageing of 1 h. Finally, the mixture was transferred into an 

autoclave  and  heated  at  368  K  for  4  days  under  static  conditions.  After  cooling  to  the  room 

temperature, the resultant solid was filtered, washed three times with deionized water, and dried at 

373 K overnight.  

CS2 ‐ Characterisations 

The crystalline properties of the raw materials and the synthesized samples were determined by X‐ray 

diffraction (XRD) using a Shimadzu X‐ray diffractometer, with a scanning rate of 2°/min from 4° to 60°. 

FE‐SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analysis was conducted by employing a ZEISS 

scanning electron microscope operated at 15 kV. 

 

Page 175: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  174 

 

Figure CS1. SEM micrograph of fly ash. 

 

280 300 320 340

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

CO2

Gauss fitted isobar

CO

2 ads

orpt

ion

capa

city

(m

mol

/g)

Temperature (K)

Figure CS2. Isobar of as‐synthesized r1.9KCHA at 0.5 bar. 

CS3 ‐ DFT calculations 

All  results were  calculated  using  the  Vienna  Ab  initio  Simulation  Package  (VASP)  [149] with  the 

projector augmented waves (PAW) approach [150] . The cut‐off energy of the plane wave basis‐set 

was 405 eV. A gamma point only k‐point mesh was used for one unit cell of chabazite (including three 

double six‐ring prisms or one and a half supercavities). Such cut‐off energy and k‐point mesh have 

Page 176: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  175 

been tested to ensure the total energy value convergence within 1 meV/atom. The atomic positions 

were optimized with  the conjugate gradient method until  the  forces acting on atoms were below 

0.015 eV/Å, as suggested by Göltl and Hafner [143] . To account for the van der Waals interactions, 

we also adopted the DFT‐D3 functional (with IVDW=11). We applied the nudged‐elastic‐band (NEB) 

method for energy barrier calculations.  

To understand the effect of Si/Al ratio (cation density) on the threshold gas admission temperature, 

we  determined  and  compared  the  energy  barrier  associated with  the migration  of  door‐keeping 

potassium cation (K+) in r3KCHA and r1KCHA using density functional theory calculations. Such energy 

barrier should rely on the affinity of the K+ to both the starting point and ending point, respectively of 

the migration pathway. For the same type of cation site (i.e., 8MR, 6MR, or 4MR site), the affinity can 

be different due to the difference in the number of aluminium atoms contained at this site. A cation 

site with more aluminum atoms in the ring (thus more negative charge) imparts higher affinity to the 

K+ sitting at this site. A zeolite with a Si/Al ratio other than one would have various types of aluminium 

distribution  in the zeolite  framework and thus various affinities to the cation  for the same type of 

cation site.  In our case, r1KCHA has sole aluminum distribution while r3KCHA has varied aluminum 

distribution. Thus when we consider K+ migration pathway for opening the “door” (i.e., K+ moves from 

8MR site to 4MR site [134]), we need to consider the combinations of different 8MRs and 4MRs in the 

case of r3KCHA. Apart from aluminum distribution, the number of K+ adjacent to the ending point of 

migration (4MR site) will also affect the energy barrier associated with cation migration process, given 

that these adjacent K+ will repel the incoming K+. In the case of r3KCHA, the effect of adjacent K+ is 

absent since totally 9 K+ occupies all nine 8MR in one unit cell and there is no excess K+ sitting at 4MR 

site, while there exist excess K+ cations to occupy 4MR sites  in r1KCHA. Considering the above two 

factors – variable aluminium distribution and “adjacent K+ cations” and to simply the discussion, we 

only study the cation migration path associated with the lowest possible energy barrier. For r1KCHA, 

we consider a K+ migrating from an 8MR site to an adjacent 4MR site with no other adjacent K+ and 

the energy barrier is determined to be 1.22 eV (see Fig. 1a). For r3KCHA, we consider a K+ migrating 

Page 177: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  176 

from an 8MR site (with only one Al in the ring) to an adjacent 4MR site (with 2 Al in the ring) and the 

energy barrier is determined to be 0.96 eV (see Fig. 1b). We can conclude that potassium chabazite 

with  lower Si/Al ratio  imparts higher energy barrier  for  the migration of door‐keeping K+ and  thus 

higher threshold gas admission temperature. This explains why N2 and CH4 are excluded by r1KCHA 

at ambient temperature but admitted by r3KCHA.

Figure CS3. 3D structures of chabazite. 

 

Figure CS4. Structure changes of potassium chabazite systems of r1KCHA and r3KCHA during CO2 adsorption process. The migration of the door‐keeping potassium cation (marked by the white cross) 

at different steps was tracked to elucidiate the pore opening procedure in these two types of trapdoor chabazites with different cation density. 

Page 178: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  177 

CS4 ‐ Multicomponent breakthrough experiments 

Binary breakthrough experiments were examined by a dynamic column breakthrough apparatus [96], 

which consists of a stainless steel adsorption column (130 mm long and 22.2 mm internal diameter). 

Feed gas was flown to the column controlled by four mass flow controllers (MFCs) where a four way 

valve  controls whether  helium  or  a  combination  of  helium, methane  (or  CO2)  and  nitrogen.  The 

effluent  gas  flow  rate was measured by  an orifice  type mass  flow meter  (MFM) which was  then 

corrected for the gas composition. 

Table CS1. The gas selectivities and capacities on chabazite. 

Run #  Temperature 

(oC) 

Pressure 

(bar) 

CO2 Adsorption 

(mmol/g) 

CH4 Adsorption 

(mmol/g) 

N2 Adsorption 

(mmol/g)  Selectivity 

#1  30  1  1.0126  n.a.  0.0112  90.41 

#2  60  3  0.9654  n.a.  0.0088  109.70 

#3  75  1  0.8266  n.a.  0.0012  688.83 

#4  30  1  0.9320  0.0016  n.a.  582.50 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 179: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  178 

Appendix D 

D1 ‐ Foreword 

The  following manuscript  has  been  submitted  to  Communications  Chemistry  for  publication.  It  is 

reproduced here as it is based on the work reported in Chapter 2. 

D2 ‐ Temperature Dependence of Adsorption Hysteresis in Flexible Metal Organic 

Frameworks   

Shamsur Rahman, Arash Arami‐Niya, Xiaoxian Yang, Gongkui Xiao, Gang (Kevin) Li, Eric F. May  

 “Breathing” and “gating” are striking phenomena exhibited by flexible Metal Organic Frameworks 

(MOFs)  in which  their  pore  structures  transform  upon  external  stimuli.  These  effects  are  often 

associated with eminent steps and hysteresis in sorption isotherms. Despite significant mechanistic 

studies,  the  accurate  description  of  stepped  isotherms  and  hysteresis  remains  a  barrier  to  the 

promised  applications  of  flexible  MOFs  in  molecular  sieving,  storage  and  sensing.  Here  we 

investigate the temperature dependence of structural transformations in three flexible MOFs and 

present a new isotherm model to consistently analyse the transition pressures and step widths. The 

transition  pressure  reduces  exponentially  with  decreasing  temperature  as  does  the  degree  of 

hysteresis (c.f. capillary condensation). The MOF structural transition enthalpies range from +6 to 

+31 kJmol‐1 revealing that the adsorption‐triggered transition is entropically driven. Pressure swing 

adsorption process simulations based on flexible MOFs that utilise the model reveal how isotherm 

hysteresis can effect separation performance. 

The development and study of  flexible porous materials, and metal‐organic  frameworks  (MOFs)  in 

particular, has been a major focus of the adsorption community over recent years. Interest in these 

materials can be attributed to their potential use in a wide range of applications for gas separation, 

gas storage, and catalysis [47‐53, 151]. The host‐guest interaction in flexible MOFs affects the host’s 

pore characteristics and the associated accessibility by the guest molecule. The  interaction may be 

Page 180: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  179 

classified as either: (1) a crystallographic phase transition causing a unit cell volume change (breathing 

effect), or  (2)  a  linker  rotation  and  sub‐net  sliding with no  change  in  the  unit  cell  volume  (gate‐

opening). In both cases, the ability of these “soft materials” to change structure means their observed 

adsorption characteristics are fundamentally different to that of conventional adsorbents [54, 55, 83]. 

The most  obvious  difference  is  the  drastic  increase  in  uptake  that  occurs when  the  number  of 

accessible adsorption sites in the framework suddenly changes in response to external stimuli such as 

the adsorption/desorption of guest molecules [56, 57, 152]. This feature of flexible MOFs allows the 

adsorption of guest molecules seemingly  larger than the nominal crystallographic pore diameter to 

suddenly increase. Such materials offer, in principle, a very high selectivity and could be very useful in 

the development of gas separation technologies [153]. However, studies of MOF‐based applications 

are limited by the lack of isotherm models able to accurately describe their abrupt changes in sorption 

capacities. 

Structural transitions triggered by gas phase pressure are guest‐dependent phenomena that cause the 

MOF to change from a non‐porous (np) phase (narrow‐pores  in breathing MOFs or closed‐pores  in 

gating MOFs) to a porous (lp) phase (expanded, large pores in breathing MOFs or open‐pores in gating 

MOFs) [56, 57, 69, 154, 155]. This structural change occurs when a critical transition pressure, ptr, is 

reached, causing a step‐change in the  isotherm characterized by a finite transition‐width,  (in Pa). 

Moreover, the phase change is hysteretic [77, 156, 157]  with the transition pressure measured along 

the adsorption branch of the isotherm (increasing pressure),  , being greater than that measured 

along the desorption branch,  , with the difference ptr  (  relevant to the degree 

of hysteresis typically significantly larger than . In this work, we investigated the dependence of ptr 

on temperature for three different MOFs and explored their asymptotic behavior at low temperatures. 

Fundamental  simulations  capable of modelling  responsive adsorption processes  in  flexible porous 

materials have been developed [158]. These simulations combine DFT calculations of adsorption in slit 

pores with Helmholtz energy descriptions of  the crystal as  function of pore width, and  cannot be 

Page 181: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  180 

readily  fit  to experimentally‐measured  isotherms  for  real MOF  samples, or used  in  simulations of 

pressure swing adsorption processes based on such materials. Here we utilise a new emprical model 

for  flexible  adsorbents  that  can  efficiently  extract  salient  features  of measured  hysteretic MOF 

sorption isotherms and evaluate their dependence on temperature. 

Results 

The wide‐ranging data of Mason et al. [48] for methane sorption on Iron(II)‐1,4‐benzenedipyrazolate 

(Fe(bdp))  and  Cobalt‐1,4‐benzenedipyrazolate  (Co(bdp))  provide  excellent  examples  of  MOF 

hysteretic stepped sorption isotherms. Figure 1 shows the CH4 sorption capacity data along the two 

extreme  isotherms  [48]  for  each MOF.  The  number  of  data  acquired  along  each  branch  of  each 

hysteretic sorption isotherm is sufficient to clearly resolve the characteristic parameters ptr, ptr, and 

 as well as their respective temperature dependences.  

 

Figure D1. Exemplar hysteretic sorption isotherms for CH4 on the MOFs (a) Fe(bdp) and (b) Co(bdp) measured by Mason et al.[48] , illustrating the key parameters in eq (D1). 

To extract these parameters from stepped sorption isotherms, we developed an empirical model that 

can be regressed to capacity data, q, measured along each branch, the basis and derivation of which 

is detailed in the Supplementary Information (SI). 

          (D1a) 

1√

                 (D1b) 

          (D1c) 

Page 182: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  181 

Here,  qLangmuir  is  a  Langmuir  isotherm  function  with  two  adjustable  parameters,  K  and  Qm, 

characterizing the initial slope and limiting sorption amount, respectively, at pressures below the np 

 lp phase transition. The function   describes the stepped part of the sorption isotherm using 

three additional adjustable parameters, ptr,  and Qstep, where the  latter represents the  increase  in 

capacity after the phase transition (above that of qLangmuir). As detailed in the SI, the LJMY model can 

be derived by  assuming  the  sorption  site  energies made  available by  the MOF’s  structural phase 

transition have a Gaussian distribution. It is analogous to the LJM model developed by Li et al. [159] 

which describes the temperature‐regulated admission and release of gases in microporous trapdoor 

materials. To describe a branch of a hysteretic stepped sorption isotherm for a given MOF, the LJMY 

model may be combined with any classical sorption  isotherm model (e.g. Sips, Toth) as required to 

best describe the data.     

Equation  (DD1) was  regressed  to each branch of  the  sorption  isotherms  for  Fe(bdp) and Co(bdp) 

measured by Mason et al. [48] o determine the five parameters, ptr, , Qstep, K and Qm. The best‐fit 

LJMY parameter values, their statistical uncertainties and the fit’s standard error are  listed for CH4 

sorption  on  Fe(bdp)  and  Co(bdp)  in  Tables  DS1  and  DS2,  respectively.  Figure  D2  shows  the 

temperature dependence and hysteresis of the best‐fit parameters ptr and  for these MOFs. Figures 

D2(a)  and D2(c)  show  that  the  transition  pressures measured  on  the  adsorption  and  desorption 

branches  have  statistically  significant  differences  in  their  temperature  dependence,  with   

varying more rapidly in both cases than  . In constrast, the degree of hysteresis in the transition 

width is much smaller, with no statistically significant difference between (ads) and (des) observed for 

Fe(bdp) at any temperature. For Co(bdp) a small difference in the temperature dependence of  (ads) 

and  (des)  is apparent, although at 323 K  the  (largest) difference  is only about twice  the combined 

statistical uncertainties of the fit parameters.  

 

 

Page 183: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  182 

 

 

Figure D2. Transition pressure ptr (a, c) and transition width, , (b, d) vs temperature, T, for the sorption of CH4 on Fe(bdp) and Co(bdp) extracted from the data of Mason et al [48] with eq (D1). Statistical uncertainties are shown as error bars in all panels but are smaller than the symbol for ptr 

in (a) and (c). 

Figure D2  shows  that  the width of  the MOF’s  structural hysteresis,  ptr, decreases with  reducing 

temperature.  This  is  opposite  to  the  behavior  observed  for  hysteresis  associated  with  capillary 

condensation  in  classical  adsorbents  with  a  rigid  structure,  which  becomes  larger  at  lower 

temperatures [73, 160]. 

Simple extrapolations of the apparently linear trends in   and   with temperature exhibited 

in  figure D2  suggest  that  the hysteresis  in  the  sorption  isotherms might disappear  (e.g. ptr  0) 

around  210 K  and  230 K  for  Fe(bdp)  and  Co(bdp),  respectively.  Measuring  sorption  capacities 

accurately  at  such  temperatures  is  very  challenging  and  so  an  alternative  flexible  adsorbent was 

sought to investigate the asymptotic behaviour of structural hysteresis with temperature. Analysis of 

the data published by Arami Niya et al.[59] for CO2 sorption on a zeolitic imidazolate framework (ZIF‐

7) above 273 K suggested that ptr  0 as T  265 K, a significantly more accessible temperature. 

Page 184: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  183 

Accordingly, ZIF‐7 was synthesized following Arami‐Niya et al. [59]. The adsorption and desorption of 

pure CO2 on the ZIF‐7 was measured at eight temperatures between 233 K and 293 K at pressures up 

to 0.1 MPa. Figure D3 shows the measured data together with the fits of the LJMY‐Langmuir model 

for each  isotherm;  these are also  listed  in Table DS3  (fit parameters) and Table DS5  (data). At  the 

lowest temperatures measured, ZIF‐7 exists in the lp phase even when the CO2 pressure is around 2 

kPa. Moreover the hysteresis for CO2 on ZIF‐7 becomes progressively smaller as the temperature  is 

reduced, consistent with the observations of ptr  for Fe(bdp) and Co(bdp). However, ptr does not 

become zero at any of the temperatures measured for ZIF‐7. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 185: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  184 

 

   

Figure D3. Equilibrium CO2 capacities, q, measured in adsorption (filled symbols) and desorption (empty symbols) for ZIF‐7 at pressures, p, to 0.1 MPa, and eight temperatures T from (233 to 293) K. 

Curves represent fits of the LJMY‐Langmuir model (eq. (DD1) and described in the SI). 

Page 186: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  185 

At the four  lowest temperatures shown  in figure D3 for CO2 on ZIF‐7, ptr and  are both  less than 

3 kPa. This makes high resolution measurements of  the step  in  the sorption  isotherm difficult and 

determination of ptr, , Qstep, K and Qm by regressing each branch separately can be challenging.  In 

such cases, simultaneously fitting both branches of the hysteretic sorption isotherm as described in 

the SI can be helpful.     

 

Figure D4. (a) Variation of transition pressures, ptr, with temperature and (b) relative to the value ptr0 at 303 K value for CO2 on ZIF‐7. (c) Variation of ptr with temperature and (d) with the transition 

pressure measured in desorption,  . 

Figure D4 shows that over a wide temperature range the transition pressures do not vary linearly but 

are instead described by the Clausius‐Clapeyron equation. 

ln∆

         (D2) 

Here,   is the transition pressure (for either adsorption or desorption), at a reference temperature, 

T0; R is the universal gas constant; and Htr is the enthalpy associated with the material’s structural 

transition  (np    lp).  Regression  of  eq  (DD2)  to  the  measured   for  CO2  on  ZIF‐7  gives 

∆  = (30.1  1.1) kJmol‐1 while  fitting  to   gives ∆  = (31.4  1.6) kJmol‐1. Thus while 

Page 187: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  186 

there is an offset between the transition pressures measured in adsorption and desorption, (reflected 

by  different  values  of   for  the  two  branches)  their  dependence  on  temperature  is  the  same. 

However over the temperature ranges measured by Mason et al. [48], ∆ = (9.1  0.2) kJmol‐1 

and  ∆  = (8.3  0.1) kJmol‐1  for  CH4  on  Fe(bdp),  while  ∆ = (9.1  0.3) kJmol‐1  and 

∆  = (5.6  0.5) kJmol‐1  for  CH4  on  Co(bdp).  The  SI  presents  the  results  of  fits  to  isotherms 

measured  for  CO2  on  amino‐MIL‐53 (Al)  [60],  from  which  values  of  ∆ = 15 kJmol‐1  and 

∆ = 19 kJmol‐1  can be estimated. In general, the temperature dependence of   and   

could depend on the MOF, adsorbate and/or the temperature range considered.  

The asymptotic temperature dependence of ptr follows from eq (DD2). Whereever  ≡ ∆

∆  is finite, the transition pressure hysteresis will vary according to 

δ exp 1         (D3) 

where the temperature dependence of   is given by eq (DD2). When  0 (e.g. CO2 on ZIF‐

7) 

δ δ exp ∆

         (D4a) 

δ 1             (D4b) 

Here  δ  is  the  difference  in  the  transition  pressures  on  the  two  branches  at  the  reference 

temperature.  Equation  (D4)  explains  the  exponential  trend  shown  in  figure D4(c)  and  the  linear 

correlation  in  figure D4(d).  Equations  (D3)  and  (D4)  also  enable  the  asymptotic  behaviour of  the 

transition pressure hysteresis observed for Fe(bdp) and Co(bdp) to be predicted reliably, in contrast 

to the simplistic linear extrapolations with temperature shown in Figure D2. 

Discussion 

As discussed by Schneeman et al. [57], the hysteresis observed in a MOF’s stepped isotherm is due to 

the energy penalty associated with  increasing  interfacial area as np  lp. No  such energy barrier 

Page 188: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  187 

needs  be  overcome  for  the  reverse  lp  np  structural  change:  hence  the  isotherm’s  desorption 

branch corresponds to thermodynamic equilibrium, while the adsorption branch reflects the system 

accessing metastable states. The positive Htr values indicate that the MOF’s structural transition is 

entropically driven with  the  lp  state being  less‐ordered  than  the np  state. This  is  consistent with 

previous  but  less  precise  estimates  by  microcalorimetry:  for  CO2‐driven  structural  transitions, 

Llewellyn et al. [70] estimated +20 kJmol‐1 for MIL‐53 (Cr) and Du et al. [66] estimated +7 kJmol‐1 for 

ZIF‐7. The  latter  is significantly smaller than the value obtained here  likely because of the difficulty 

separating  the  exothermic  adsorption  process  from  the  endothermic  structural  transition. 

Interpreting  the non‐zero value of  ≡ ∆ ∆ observed  for CH4 on Co(bdp)  is more 

difficult.  Potentially,  non‐zero  Htr  values might  reflect  a  combination  of  effects  (e.g.  structural 

transition  plus  pore  filling/emptying,  hysteresis  in  crystal  lattice  strain)  occurring  simultaneously 

and/or asymmetrically along the isotherm’s two branches. 

The SI shows how the LJMY‐Langmuir model can be used to more reliably simulate PVSA separation 

processes utilizing flexible MOFs. To achieve optimal separation performance, the transition pressures 

and widths on both branches of the isotherm must be considered appropriately when specifying the 

PVSA  cycle’s  high  and  low  pressures.  Additionally,  use  of  only  a  single  branch  (desorption  or 

adsorption)  in  the  simulation  will  produce  an  overly  optimistic  prediction  of  the  separation 

performance, relative to that calculated with the fully hysteretic isotherm. 

Conclusions 

The temperature dependence and hysteresis of stepped sorption isotherms associated with structural 

transitions was studied for three flexible MOFs: Fe(bdp) with CH4, Co(bdp) with CH4, and ZIF‐7 with 

CO2. A five‐parameter model developed to describe stepped sorption isotherms enabled the transition 

pressures,  ptr, widths,  ,  and  hysteresis  ptr   ( ,  to  be  consistently  and  robustly 

analysed.  In  contrast  to  capillary  condensation,  ptr  increases with  temperature with  a  Clausius‐

Clapeyron dependence. At  low  temperatures, ptr approaches an asymptotic  limit proportional  to 

Page 189: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  188 

. The MOFs’ structural phase transitions are entropically driven with enthalpy changes ranging 

from (5 to 31) kJmol‐1. Curiously, the structural transition enthalpy for CH4 on Co(bdp) is 60 % larger 

in  adsorption  than  desorption,  possibly  due  to  multiple  effects  occurring  simultaneously  or 

asymmetrically along the two isotherm branches. 

Methods 

Gas  adsorption  measurements.  A  volumetric  measurement  system  (model  ASAP2020  by 

Micromeritics) was used to measure ZIF‐7 sorption capacity for CO2 along multiple isotherms [161]. 

Before the isotherm measurements, the ZIF‐7 sample [59] was thoroughly dehydrated and degassed 

by heating stepwise to 473 K under high vacuum overnight. The degassed sample was cooled to room 

temperature and backfilled with helium. Adsorption isotherms for CO2 on ZIF‐7 were measured in the 

temperature  range  of  233–293 K  at  pressures  up  to  120 kPa.  The  adsorption  temperatures were 

controlled  by  a  homemade  heating  jacket  connected  to  a  thermostatic  liquid  bath  (Ultra‐Low 

Refrigerated  Circulators  JULABO  FP88)  filled  with  either  silicone  oil  (for  T > 283 K)  or  ethanol 

(T  283 K).  The  temperature  of  the  bath  fluid  was  measured  by  a  100    platinum  resistance 

thermometer. 

The equilibration required at each pressure was determined automatically by the ASAP2020 system 

with the criterion being a relative pressure change of less than 0.01% over an interval of 15 seconds. 

For the adsorption measurements on ZIF‐7, the equilibration time varied from 5 minutes to 15 hours 

across all temperatures, with an average value of 92 minutes. For the desorption measurements, the 

equilibration  time  ranged  from 5 minutes  to about 4 days, with  an average  value of 2 hours. The 

longest  equilibration  times  occurred  at  low  temperatures  (233 K  and  238 K)  and  pressures less 

than about 1 kPa. The relative combined standard uncertainty of sorption capacity, uc(qi)/qi, measured 

with this ASAP2020 was estimated previously [131, 161] to be 1.4 %. 

 

 

Page 190: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  189 

 

Acknowledgements 

This research was funded by the Australian Research Council through IC150100019 and DP190100983. 

S.R was supported by an Australian Government Research Training Program Scholarship.  

Author Contributions 

S.R., A.A., G.L.  and  E.F.M.  conceived  and designed  the  experiments.  S.R.  and A.A. performed  the 

synthesis and measured  the adsorption  isotherms. S.R. A.A. and E.F.M.  interpreted  the adsorption 

data and discussed the findings  in this paper. X.Y., G.L. and E.F.M. derived the stepped adsorption 

isotherms model. G.X. and S.R. performed the Aspen Adsorption simulations. S.R., A.A., G.L. and E.F.M. 

wrote the paper. All authors discussed the results and commented on the manuscript.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 191: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  190 

DS ‐ Supporting Information (SI) 

DS1 ‐ Derivation of the LJMY model for stepped sorption isotherms 

The equation for qLJMY  is based on a conceptual model, which assumes that the  increased capacity 

associated with the step is a result of a localized structural phase transition in the adsorbent material 

(MOF), triggered by the presence of an adsorbed phase. While the model may be applied to regress 

hysteretic stepped isotherms for either so‐called breathing or gating MOFs, the conceptual description 

detailed below applies to gating MOFs, where in the absence of an adsorbate the crystal is in a narrow‐

pore (np) state [57]. Before the coverage of the adsorbed phase  is sufficient, the  interfacial energy 

penalty associated with the MOF surface forces the crystal to minimize its area [69]. However, as the 

amount of adsorbed phase in a local region of the surface increases with gas pressure, the interfacial 

free energy of the MOF in that local region decreases. At some threshold value, the reduction in the 

interfacial free energy is sufficient to drive a localized crystalline phase transition of the MOF, with the 

resulting structure having a much larger surface area: this may be called the large‐pore (lp) state [69]. 

The spatial extent of the crystalline transition is limited by the amount of adsorbed phase available to 

lower  the  interfacial  energy  of  the  MOF  surface.  Further  increases  in  gas  phase  pressure  and 

adsorption allow the MOF crystal transition to propagate further throughout the material until the 

sample reaches its maximum possible surface area. 

The conceptual model also assumes  that  the  threshold gas pressure  required  to  induce  structural 

transition in the MOF varies throughout the sample and is described by a Gaussian distribution with a 

mean and standard deviation of ptr and , respectively. One possible explanation for this relates to 

the distribution of pore length scales within the np state. These varying length scales influence the gas 

pressure, p, required locally for an amount of adsorption sufficient to trigger the structural transition. 

Pores in the sample with lower threshold pressures trigger a local np to lp transition earlier along the 

adsorption isotherm, and the variation between pores is the reason that the entire sample does not 

undergo the transition at a single pressure. This Gaussian distribution would essentially describe the 

Page 192: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  191 

probability density function, Pr(p), for MOF pores in the np state to have undergone the structural 

transition. 

 

√exp

        (DS1) 

The  total  adsorbed  capacity  at  a  given  pressure  associated with  the MOF  structural  transition  is 

determined by integrating this probability density function 

  1√

     (DS2)

where Qstep is the maximum sorption capacity increase resulting from the MOF structural change. To 

describe a branch of a hysteretic stepped sorption isotherm for a given MOF, the LJMY model may be 

combined with any classical sorption isotherm model (e.g. Sips, Toth) as required to best describe the 

data. Here we chose the Langmuir function to minimise the number of adjustable parameters being 

regressed: the combined function shown in eq. (D1a) of the main text is therefore the LJMY‐Langmuir 

model.     

To regress both branches of a hysteretic isotherm simultaneously a dummy independent variable, y, 

may be introduced into the fit function. During the regression, the value of y determines along which 

branch of the isotherm the data were measured. It can be convenient to set y = 0 as corresponding to 

the desorption branch and y = 1 as corresponding to the adsorption branch. This allows quantities that 

take  on  different  values  for  the  two  branches,  (e.g.  and  )  and  must  therefore  be 

represented  by  two  separate  parameters,  to  be  expressed  in  terms  of  y.  For  example,  to 

simultaneously regress eq (D1) to both branches of a stepped sorption isotherm while constraining 

four of  the parameters  (, Qstep, K and Qm)  to have  the  same value on each branch,  the  capacity 

function can be defined 

, 1

      (DS3) 

Page 193: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  192 

where  the  additional  adjustable  parameter,  ,  has  been  introduced.  This  allows  the  transition 

pressures along the desorption and adsorption branches to be identified as: 

          (DS4a) 

1               (DS4b) 

Fundamental  simulations  capable of modelling  responsive adsorption processes  in  flexible porous 

materials  have  been  developed  [158], which  allow  for  a  strained  framework  to  exist  during  the 

transition between the np and lp phases as the unit cell parameters change [48, 59].  The parameters 

extracted  by  fitting  the  LJMY  isotherm  to  experimental  data  could  in  principle  be  related  to  the 

predictions of fundamental models that couple pore width with DFT calculations and can account for 

the effect of strain in the crystal. This might provide a pathway to efficiently quantifying the effect of 

strain on observed isotherms. 

Of the parameters in the LJMY model, the transition width, , is the most likely to be influenced by 

the effects of strain, particularly  in  those cases where  there  is hysteresis  in  its value between  the 

adsorption and desorption branch. For example differences in strain caused by the np to lp transition 

from those caused by the  lp to np transition might manifest themselves  in a non‐zero  =  (ads)  ‐ 

 (des) as observed for Co(bdp). 

However,  the  LJMY model  does  not make  any  direct  reference  to  crystal  strain. Any  connection 

between the LJMY parameters extracted by fitting to sorption isotherm data and more fundamental 

simulations that do include crystal strain will need to be inferred by analysing the predictions of those 

simulations.  Additionally,  the  LJMY  model  cannot  treat  stepped  isotherms  where  the  observed 

sorption  capacity  does  not  increase  monotonically  with  pressure,  for  example  as  observed  for 

materials that exhibit negative gas adsorption [83].  The primary purpose of the LJMY model is to serve 

as a useful tool for analysing experimental sorption isotherms measured for particular combinations 

Page 194: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  193 

of guests and flexible adsorbents, and representing those isotherms in simulations of pressure swing 

adsorption processes based on those materials. 

DS2 ‐ Results of LJMY‐Langmuir model regression to MOF isotherm data 

Tables DS1 to DS3 show the best‐fit parameters obtained from regressing the LJMY‐Langmuir model 

to the MOF isotherm data. For each isotherm, three sets of parameters are listed: a fit to each branch 

separately and the results of fitting both branches simultaneously with eq (DS3). 

Fitting both branches simultaneously with eq (DS3) constrains , Qstep, Qm and K to have the same 

value  in adsorption and desorption, preventing any  investigation of hysteresis  in  these quantities. 

Particularly for the Fe(bdp) and Co(bdp) data, different values of Qstep on the two isotherm branches 

are needed  to accurately  represent  the measured data across all  conditions, especially when  the 

hysteresis in transition pressure becomes at higher temperatures. Appreciably worse fits are achieved 

in these cases if the branches are fit simulatenously.  

A possible physical explanation for the hysteresis in Qstep suggested by fitting the branches separately 

is that at higher temperatures the properties of the adsorbed phase do not lower the MOF’s interfacial 

free energy as effectively and hence significantly more adsorption is necessary to induce the np to lp 

structural transition.  

However, care should be taken not to over‐interpret the best‐fit value of Qstep obtained from a fit to a 

single isotherm branch, because it is correlated with Qm and Kp. In contrast, p(tr) and , which are of 

primary  interest  in  this work, are robustly orthogonal  to  the other parameters  in  the model;  their 

values and uncertainties do not change significantly if the branches are fit simultaneously, although 

their statistical uncertainties  inherently  increase  if the fit quality deteriorates. Accordingly to more 

accurately investigate the dependence of p(tr) and  on temperature and isotherm branch, the values 

obtained by fitting the independent branches were used in the main text. 

   

Page 195: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

 

PhD Thesis   Shamsur Rahman  194 

Table DS1. Values and statistical standard uncertainties, u, of best fit parameters determined by regression of the LJMY‐Langmuir model (eq (D1) or eq (DS3)) to the data of Mason et al. [48] for sorption of CH4 on Fe(bdp), together with the standard error of the fit. 

T / K  ptr / MPau(ptr) / MPa 

s / MPa u(s) / MPa 

Qstep / mol×kg‐1 

u(Qstep) / mol×kg‐1 

Qm / mol×kg‐1 

u(Qm) / mol×kg‐1 

K / MPa‐1 u(K) / MPa‐1 

Standard error / mol×kg‐1 

Adsorption 

248  1.257  0.006  0.05  0.012  9.62  0.54  32.6  14  0.052  0.033  0.54 

261  1.615  0.008  0.066  0.014  8.82  0.45  359.4  3100  0.003  0.028  0.56 

273  1.953  0.012  0.091  0.018  8.24  0.36  986.9  30000  0.001  0.030  0.55 

285  2.337  0.014  0.116  0.021  7.98  0.37  1100.0  34000  0.001  0.026  0.57 

298  2.715  0.017  0.16  0.026  8.1  0.4  1014.4  53000  0.001  0.038  0.59 

311  3.17  0.025  0.261  0.039  8.44  0.48  1559.4  150000  0.000  0.038  0.62 

323  3.493  0.018  0.275  0.028  8.01  0.32  850.7  88000  0.001  0.055  0.4 

Desorption 

248  0.738  0.008  0.061  0.013  7.15  0.52  25.5  5.3  0.119  0.045  0.5 

261  0.904  0.008  0.072  0.014  6.47  0.5  30.7  10  0.077  0.040  0.42 

273  1.074  0.015  0.087  0.029  5.56  0.66  36.1  21  0.059  0.049  0.45 

285  1.258  0.017  0.13  0.029  5.83  0.64  177.1  825  0.008  0.040  0.37 

298  1.499  0.024  0.143  0.04  4.87  0.71  150.2  704  0.009  0.046  0.31 

311  1.671  0.027  0.183  0.049  4.6  0.52  1866.9  380000  0.0005  0.093  0.29 

323  1.865  0.064  0.23  0.1  3.9  1.2  2060.4  4200000  0.0002  0.47  0.35 

Adsorption and desorption branched fitted simultaneously 

248  0.742  0.008  0.063  0.012  8.21  0.43  28.2  0.083  0.70  0.02  0.58 

261  0.907  0.009  0.08  0.013  7.94  0.4  84.9  0.017  0.79  0.02  0.58 

273  1.083  0.018  0.115  0.022  7.91  0.48  889.4  0.0012  0.81  0.03  0.63 

285  1.278  0.02  0.143  0.023  7.72  0.42  1094.4  0.0009  0.83  0.03  0.6 

298  1.508  0.034  0.182  0.037  7.43  0.65  1096.9  0.0007  0.80  0.04  0.67 

311  1.726  0.042  0.231  0.039  7.12  0.43  1369.4  0.0005  0.83  0.05  0.65 

323  1.944  0.052  0.266  0.049  6.91  0.55  978.8  0.0005  0.80  0.05  0.61 

Page 196: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  195 

 

Table DS2. Values and statistical standard uncertainties, u, of best fit parameters determined by regression of the LJMY‐Langmuir model (eq (D1) or eq (DS3)) to the data of Mason et al. [48] for sorption of CH4 on Co(bdp), together with the standard error of the fit. 

T / K  ptr / MPa u(ptr) / MPa 

s / MPa u(s) / MPa 

Qstep / mol×kg‐1 

u(Qstep) / mol×kg‐1 

Qm / mol×kg‐1 

u(Qm) / mol×kg‐1 

K / MPa‐1 u(K) / MPa‐1 

Standard error / mol×kg‐1 

Adsorption 

273  1.317  0.009  0.095  0.016  6.73  0.31  284.3  1900  0.0034  0.023  0.33 

285  1.591  0.014  0.148  0.02  6.17  0.23  552.5  8900  0.0015  0.025  0.35 

298  1.906  0.021  0.192  0.033  5.58  0.33  916.3  37000  0.0008  0.033  0.46 

311  2.185  0.028  0.258  0.048  5.34  0.42  955.7  49000  0.0007  0.036  0.48 

323  2.443  0.031  0.336  0.058  5.64  0.52  995.7  65000  0.0006  0.038  0.46 

Desorption 

273  0.641  0.011  0.066  0.02  3.98  0.54  19.2  4.4  0.1374  0.065  0.4 

285  0.745  0.018  0.087  0.033  3.33  0.62  19.7  5.5  0.1231  0.07  0.38 

298  0.833  0.022  0.109  0.043  2.8  0.65  20.4  6.2  0.1101  0.065  0.34 

311  0.894  0.031  0.102  0.061  1.77  0.63  23.4  9.6  0.0844  0.056  0.28 

323  0.945  0.035  0.134  0.071  1.52  0.53  25.4  11.1  0.0700  0.049  0.22 

Adsorption and desorption branched fitted simultaneously 

273  0.662  0.011  0.113  0.018  5.87  0.35  44.8  0.029  1.00  0.04  0.44 

285  0.78  0.017  0.163  0.025  5.51  0.35  401.3  0.0026  1.04  0.05  0.44 

298  0.901  0.024  0.232  0.035  5.58  0.42  718.8  0.0011  1.12  0.06  0.48 

311  1.024  0.038  0.318  0.055  5.24  0.5  993.2  0.0007  1.13  0.09  0.51 

323  1.129  0.055  0.4  0.073  5.02  0.57  1018.2  0.0006  1.13  0.11  0.53 

 

 

Page 197: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  196 

Table DS3. Values and statistical standard uncertainties, u, of best fit parameters determined by regression of the LJMY‐Langmuir model (eq (D1) or eq(DS3)) to the data 

measured in this work and by Arami‐Niya et al. [59] at 303 K for the sorption of CO2 on ZIF‐7, together with the standard error of the fit. 

T / K  ptr / MPa u(ptr) / MPa 

s /    MPa  u(s) / MPa Qstep / 

mol×kg‐1 u(Qstep) / mol×kg‐1 

Qm / mol×kg‐1 

u(Qm) / mol×kg‐1 

K / MPa‐1 u(K) / MPa‐1 

Standard error / mol×kg‐1 

Adsorption

303  0.07925 0.00041  0.01303 0.00046 1.21 0.03 1.21 0.03 6.50 0.28 0.01

293  0.05183 0.00031  0.0096 0.00061 1.06 0.06 1.06 0.06 33.29 11 0.02

283  0.03128 0.00035  0.00547 0.00054 0.88 0.04 0.88 0.04 19.93 3.2 0.03

273  0.02305 0.00007  0.00395 0.00011 0.98 0.01 0.98 0.01 42.77 1.5 0.01

253  0.00767 0.00004  0.00354 0.00007 1.56 0.02 1.56 0.02 25.79 2.4 0.0005 

247  0.00695 0.00001  0.0029 0.00002 1.51 0.01 1.51 0.01 37.11 2.3 0.001 

244  0.004 0.0011  0.00069 0.00104 0.93 0.36 0.93 0.36 132.22 71 0.01

238  0.00315 0.00003  0.00053 0.0001 1.29 0.05 1.29 0.05 157.78 12 0.01

233  0.001883 7E‐07  0.00001 0 1.31 0.03 1.31 0.03 272.33 26 0.01

Desorption

303  0.04971 0.0019  0.00789 0.002 1.2 0.03 1.20 0.03 7.49 0.49 0.01

293  0.03067 0.00016  0.00455 0.00023 0.87 0.02 0.87 0.02 21.43 1.7 0.01

283  0.01893 0.00007  0.00203 0.00012 0.88 0.02 0.88 0.02 36.03 2 0.01

273  0.014746 0.000003  0.000083 0.000002 0.87 0.02 0.87 0.02 69.22 3 0.01

253  0.005193 0.000001  0.000035 0.000001 0.92 0.02 0.92 0.02 192.53 5.4 0.01

247  0.0043 0.00006  0.00019 0.00009 1.36 0.08 1.36 0.08 76.37 22 0.02

244  0.00219 0.00001  0.00101 0.00002 1.29 0.01 1.29 0.01 160.49 5.8 0.001 

238  0.00129 0.00012  0.00074 0.00017 1.53 0.32 1.53 0.32 95.84 280 0.09

233  0.00115 0.00015  0.0007 0.00021 1.66 0.33 1.66 0.33 22.59 400 0.14

Adsorption and Desorption branched fitted simultaneously

293  0.03031 0.00045  0.00712 0 0.98 0.03 0.84 24 0.72 0.03 0.03

283  0.0187 0.00029  0.00311 0 0.9 0.03 0.93 29 0.67 0.03 0.04

273  0.01293 0.00026  0.00274 0 0.97 0.03 0.86 56 0.82 0.04 0.03

253  0.00421 0.00007  0.00105 0 1.02 0.02 0.91 160 1.92 0.08 0.01

247  0.00353 0.00005  0.00001 0 1.03 0.01 0.91 190 0.79 0.03 0.02

244  0.00218 0.00002  0.00104 0 1.2 0.01 0.73 210 1.01 0.02 0.01

238  0.00128 0.00008  0.00071 0 1.43 0.1 0.52 179 1.51 0.16 0.05

233  0.00117 0.00013  0.00066 0 1.41 0.17 0.50 410 1.41 0.36 0.07

   

Page 198: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  197 

 

Table DS4. Values and statistical standard uncertainties, u, of best fit parameters determined by regression of the LJMY‐Langmuir model (eq (D1) or eq(DS3)) to the data of 

Couck et al. [162] for sorption of CO2 on CH4 on MIL‐53(Al), together with the standard error of the fit. 

T / K  ptr / MPa  u(ptr) / MPa   /    MPa u() / MPa Qstep / 

molkg‐1 u(Qstep) / 

molkg‐1 Qm / 

molkg‐1 K / MPa‐1 

Standard error 

/ molkg‐1 

CO2 – Adsorption 

303  1.506  0.017  0.317  0.023  4.35  0.12  2.17  11.25  0.13 

288  1.101  0.016  0.232  0.025  4.15  0.12  2.09  18.04  0.17 

CO2 – Desorption 

303  0.606  0.049  0.312  0.054  4.86  0.52  1.08  31.59  0.21 

288  0.406  0.015  0.08  0.02  3.88  0.31  2.19  28.40  0.24 

CH4 – Adsorption 

303  1.028  0.01  0.149  0.015  0.71  0.03  5.37  0.17  0.02 

CH4 – Desorption 

303  0.895  0.076  0.292  0.051  1.28  0.21  6.71  0.08  0.04 

 

Regression of eq (D2) to the values of ptr measured for CO2 on MIL‐53(Al) at 303 K and 288 K gives ∆ = 15 kJmol‐1 and ∆ = 19 kJmol‐ 1 

 

 

Page 199: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

 

PhD Thesis   Shamsur Rahman  198 

 

Figure DS1. Hysteretic sorption isotherms for CH4 on the Fe(bdp) measured by Mason et al. [48] Symbols: experimental data; curves: calculated with LJMY‐Langmuir model. (left) Adsorption or 

desorption branch at each temperature was fitted separately. (right) The adsorption and desorption branches at each temperature were fitted simultaneously. 

 

Page 200: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  199 

 

 

Figure DS2. Hysteretic sorption isotherms for CH4 on the Co(bdp) measured by Mason et al. [48] Symbols: experimental data; curves: calculated with LJMY‐Langmuir model. (left)Adsorption or 

desorption branch at each temperature was fitted separately. (right) The adsorption and desorption branches at each temperature were fitted simultaneously. 

   

Page 201: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  200 

 

Figure DS3. Equilibrium CO2 capacities, q, measured in adsorption (filled symbols) and desorption (empty symbols) for ZIF‐7. Curves represent fits of the LJMY‐Langmuir model with adsorption and 

desorption branched at each temperature fitted simultaneously. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 202: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  201 

DS3 ‐ Measurements of CO2 sorption on ZIF‐7 

The ZIF‐7 was synthesized following the method detailed by Arami Niya et al. [163]. A Micromeritics 

ASAP2020 instrument was used to measure the equilibrium capacities tabulated below: 

 

Table DS5. Equilibrium capacities, q, of CO2 on ZIF‐7 measured in adsorption and desorption as a function of pressure, p, and temperature, T. The relative combined standard uncertainty of sorption capacity, uc(qi)/qi, measured with this ASAP2020 was estimated previously [131, 161]  to be 1.4 % 

Adsorption    Desorption 

T / K  p / kPa  q / mol.kg‐1    T / K  p / kPa  q / mol.kg‐1 

233  0.094  0.020  233  19.210  1.868 

233  0.463  0.084  233  9.539  1.808 

233  1.134  0.147  233  5.116  1.735 

233  1.867  0.333  233  3.872  1.696 

233  3.965  1.646  233  3.119  1.663 

233  26.087  1.879  233  1.912  1.573 

      233  1.038  0.591 

      233  0.491  0.445 

238  0.096  0.017  238  39.755  1.893 

238  0.479  0.064  238  28.915  1.869 

238  1.028  0.098  238  19.337  1.835 

238  1.997  0.178  238  9.868  1.767 

238  2.998  0.729  238  5.175  1.679 

238  4.300  1.551  238  3.994  1.637 

238  16.122  1.812  238  3.102  1.592 

238  20.958  1.838  238  2.082  1.463 

238  30.621  1.872  238  1.017  0.457 

238  39.755  1.893  238  0.511  0.390 

244  0.558  0.055  244  40.803  1.859 

244  1.232  0.163  244  38.209  1.853 

244  3.319  0.483  244  35.721  1.847 

244  5.304  1.356  244  34.969  1.845 

Page 203: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  202 

244  39.251  1.853  244  32.530  1.839 

244  42.612  1.862  244  29.975  1.831 

244  44.745  1.867  244  27.494  1.822 

244  44.951  1.868  244  25.008  1.812 

      244  22.490  1.800 

      244  20.024  1.787 

      244  17.508  1.771 

      244  15.046  1.752 

      244  12.100  1.722 

      244  9.142  1.679 

      244  6.890  1.632 

      244  4.797  1.564 

      244  3.918  1.484 

      244  2.791  1.134 

247  4.974  0.454  247  100.039  1.913 

247  10.819  1.519  247  93.244  1.908 

247  24.376  1.750  247  88.228  1.904 

247  27.335  1.766  247  83.229  1.899 

247  30.383  1.780  247  80.034  1.896 

247  31.882  1.787  247  75.074  1.890 

247  35.129  1.800  247  70.081  1.884 

247  38.003  1.809  247  65.106  1.878 

247  40.932  1.818  247  59.964  1.871 

247  44.045  1.827  247  55.965  1.865 

247  46.949  1.834  247  52.933  1.860 

247  50.009  1.841  247  50.102  1.855 

247  53.055  1.847  247  47.128  1.849 

247  56.070  1.853  247  43.960  1.842 

247  60.043  1.861  247  40.955  1.835 

247  65.084  1.869  247  37.966  1.828 

Page 204: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  203 

247  69.974  1.876  247  34.983  1.819 

247  75.050  1.883  247  31.953  1.810 

247  80.019  1.890  247  29.014  1.800 

247  85.041  1.896  247  26.007  1.787 

247  89.999  1.902  247  23.014  1.773 

247  95.047  1.908  247  20.021  1.756 

247  100.039  1.913  247  17.062  1.735 

      247  14.035  1.709 

      247  11.091  1.674 

      247  8.179  1.625 

      247  4.770  1.524 

253  4.815  0.378  253  100.030  1.895 

253  14.433  1.639  253  93.259  1.889 

253  44.292  1.805  253  88.280  1.884 

253  48.597  1.817  253  83.272  1.879 

253  51.649  1.824  253  80.031  1.876 

253  53.014  1.828  253  75.071  1.870 

253  56.135  1.834  253  69.952  1.863 

253  60.061  1.841  253  65.050  1.856 

253  65.001  1.850  253  60.116  1.848 

253  70.046  1.858  253  55.948  1.841 

253  75.052  1.865  253  52.936  1.835 

253  80.067  1.872  253  49.967  1.829 

253  85.052  1.878  253  46.957  1.822 

253  90.027  1.884  253  43.974  1.815 

253  95.052  1.889  253  40.949  1.807 

253  100.030  1.895  253  37.978  1.798 

      253  34.949  1.789 

      253  32.008  1.778 

      253  28.987  1.765 

Page 205: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  204 

      253  26.027  1.751 

      253  23.014  1.734 

      253  20.008  1.714 

      253  17.054  1.690 

      253  14.065  1.658 

      253  11.106  1.618 

      253  8.206  1.560 

      253  5.227  1.273 

      253  2.576  0.323 

      253  1.278  0.222 

273  2.617  0.067  273  100.014  1.703 

273  7.219  0.217  273  93.423  1.695 

273  13.795  0.345  273  88.327  1.688 

273  15.425  0.383  273  83.368  1.680 

273  19.720  0.604  273  79.937  1.674 

273  24.830  1.121  273  75.120  1.665 

273  43.801  1.561  273  70.046  1.655 

273  46.423  1.574  273  65.139  1.643 

273  51.191  1.593  273  60.011  1.630 

273  54.956  1.606  273  55.162  1.617 

273  60.003  1.622  273  49.984  1.601 

273  65.044  1.636  273  44.970  1.583 

273  70.072  1.648  273  39.990  1.562 

273  75.042  1.659  273  35.004  1.537 

273  80.049  1.669  273  30.047  1.508 

273  85.036  1.679  273  25.073  1.472 

273  90.052  1.687  273  20.207  1.423 

273  95.026  1.696  273  14.809  1.153 

273  100.014  1.703  273  9.719  0.363 

      273  3.995  0.208 

Page 206: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  205 

      273  2.581  0.163 

      273  0.919  0.105 

283  4.887  0.119  283  99.522  1.595 

283  8.593  0.173  283  79.641  1.559 

283  11.262  0.206  283  60.039  1.508 

283  13.821  0.239  283  54.698  1.491 

283  16.983  0.282  283  52.825  1.484 

283  19.874  0.328  283  50.112  1.474 

283  22.848  0.386  283  46.964  1.461 

283  25.602  0.470  283  43.971  1.448 

283  29.106  0.699  283  40.970  1.434 

283  32.381  0.999  283  37.976  1.418 

283  38.553  1.243  283  34.985  1.401 

283  40.825  1.296  283  32.013  1.381 

283  44.605  1.373  283  29.029  1.358 

283  46.934  1.410  283  26.131  1.326 

283  50.024  1.447  283  22.671  1.228 

283  53.027  1.471  283  19.514  0.940 

283  55.990  1.488  283  17.398  0.535 

283  59.988  1.504  283  14.576  0.351 

283  80.031  1.558  283  11.034  0.258 

283  99.522  1.595  283  7.865  0.195 

      283  4.868  0.137 

293  5.084  0.113  293  99.399  1.582 

293  7.853  0.145  293  79.814  1.540 

293  11.803  0.182  293  60.472  1.480 

293  13.776  0.199  293  54.912  1.456 

293  16.960  0.225  293  52.791  1.446 

293  19.961  0.249  293  50.005  1.430 

293  22.931  0.274  293  47.033  1.409 

Page 207: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  206 

293  25.957  0.300  293  44.076  1.379 

293  28.942  0.329  293  41.068  1.337 

293  31.968  0.361  293  38.154  1.279 

293  34.945  0.396  293  35.325  1.189 

293  37.904  0.438  293  32.593  1.039 

293  40.890  0.493  293  28.611  0.675 

293  43.795  0.568  293  23.254  0.387 

293  46.576  0.689  293  21.973  0.364 

293  49.771  0.876  293  19.693  0.324 

293  54.347  1.084  293  16.907  0.279 

293  56.536  1.151  293  13.998  0.238 

293  59.389  1.223  293  11.034  0.201 

293  82.688  1.519  293  8.116  0.166 

293  99.399  1.582  293  5.154  0.126 

 

DS4 ‐ Temperature dependence and hysteresis of structural transition parameters 

In  the  absence  of  structural  information  about  a  given  adsorbent,  observations  regarding  the 

temperature dependence of any hysteresis in the sorption isotherm could help identify the nature of 

the material. For example, the degree of isotherm hysteresis increases with decreasing temperature 

when the hysteresis is caused by capillary condensation in the mesopores of a rigid material. This is in 

contrast  to  the  increase  in  isotherm  hysteresis  with  increasing  temperature  associated  flexible 

adsorbent  structural  transformations.  Potentially,  investigating  the  temperature  dependence  and 

resulting  hysteresis  of  the  isotherm’s  transition  pressures  and/or  transition widths  could  provide 

additional insight into the nature of the material’s structural transformation. 

For example, from eq (D2) if the ratio   changes more with increasing temperature than 

 ,  then ∆  is  larger  than ∆ .   For CO2 on ZIF‐7 over  the  temperature  range 

considered in this work, these enthalpy changes for each branch are statistically equivalent. For CH4 

on Co(bdp), ∆  are 60 % larger than ∆ , while for CO2 on MIL‐53(Al), ∆  is 22 % smaller 

Page 208: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  207 

than ∆ . Further research is needed to investigate how these differences in  ≡ ∆

∆  correspond to the specific nature of the structural transformation. 

Such  information may also be encoded within the transition width’s temperature dependence and 

hysteresis.  Figure  DS4  shows  the  variation  in  this  parameter  for  both  branches  of  the  sorption 

isotherms measured  for  CH4  on  Fe(bdp),  CH4  on  Co(bdp)  and  CO2  on  ZIF‐7. No  hysteresis  in  the 

transition width is resolvable for CH4 on Fe(bdp) while for Co(bdp) the difference in  between the 

two branches is clear and increases with temperature. For CO2 on ZIF‐7 below 247 K the values of  

determined  for  the  adsorption  and desorption branches  are essentially  statistically equivalent:  at 

higher  temperatures a  sustained difference  in  the  range  (3  to 5) kPa  is observed. Collectively,  the 

results from these three MOFs suggest there might be a temperature below which  is the same for 

both branches of the isotherm, while at higher temperatures a hysteresis in this parameter becomes 

increasingly manifest. As suggested  in Section DS1, differences  in the value of  obtained for each 

branch might reflect differences in the crystal strain caused by the direction of the np‐lp transition. 

Alternatively  (or  in  addition)  the  magnitude  and  temperature  dependence  of    might  contain 

information  about  the  sample’s  heterogeneity.  Clearly,  however,  such  speculation  needs  to  be 

investigated  further  by  measuring  hysteretic  sorption  isotherms  over  a  wider  range  of  T,  with 

additional MOF‐adsorbate combinations, and through fundamental simulations with methods such as 

those of Evans et al. [158]. 

   

Page 209: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  208 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure DS4. Temperature dependence and hysteresis of the transition width parameter, ,  reported in Tables DS1 to DS3 when each branch is fit separately to eq (D1). 

0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45

240 260 280 300 320 340

/ MPa

T / K

(a) CH4 on Fe(bdp)

ads

des

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

240 260 280 300 320 340

/ MPa

T / K

(b) CH4 on Co(bdp)

ads

des

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

230 250 270 290 310

/ MPa

T / K

(c) CO2 on ZIF‐7

ads

des

Page 210: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  209 

DS5 ‐ Pressure Vacuum Swing Adsorption simulation of a CH4/CO2 mixture with ZIF‐7 

In principle, MOFs have significant potential for use  in gas separation processes as a result of their 

characteristic stepped isotherms, which could deliver benefits in terms of both selectivity and working 

capacity. However, studies of process applications  involving MOFs remain comparatively  limited  in 

part because of the difficulty associated with the description of the stepped and hysteretic sorption 

isotherms within the frameworks provided by process simulators. Here we demonstrate the use of 

the  LJMY‐Langmuir  isotherm model within  a  simulation  of  a  Pressure  Vacuum  Swing  Adsorption 

(PVSA) process separating an equimolar mixture of methane + carbon dioxide using ZIF‐7. The study 

reveals  the  importance  of  rigorously  considering  the  sorption  isotherms,  and  particularly  their 

hysteresis, in both the design and simulation of the separation process.  

A  two‐bed,  four‐step PVSA process was  simulated numerically using  the  software package Aspen 

Adsorption.   A graphical  layout of the simulation  is shown  in Figure DS5, and the step sequence  is 

listed in Table DS6. 

 

Figure DS5. Graphical layout of the PVSA model built with Aspen Adsorption. 

 

Page 211: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  210 

Table DS6. PVSA cycle step sequence and timing 

  Step 1  Step 2 Step 3 Step 4 

Time (s)  60  60 60 60 

Bed 1  Adsorption  Blowdown Evacuate Repressurisation 

Bed 2  Evacuate  Repressurisation Adsorption Blowdown 

 

The column dimensions, adsorbent properties, and process conditions are listed in Table DS7, while 

the isotherm parameters for CO2 and CH4 on ZIF‐7 at 303 K are listed in Table DS8. The values of the 

ZIF‐7 isotherm parameters were obtained by fits of eq (D1) to the data measured by Arami‐Niya et al. 

[163] for CO2 and to the data reported recently by Yang et al. [164] for CH4. The isotherm data and 

corresponding fits of the LJMY‐Langmuir models are shown in Figure DS6. 

Table DS7. Simulation parameters 

Parameter  Value 

Nodes per column  20 

Height of column (m)  0.3 

Diameter of column (m)  0.03 

Inter‐particle void fraction  0.348 

Intra‐particle void fraction  0.146 

Bulk solid density (kg/m3)   385.0 

Particle radius  (m)  0.0007 

Mass Transfer Coefficient – CH4 (s‐1)  1 

Mass Transfer Coefficient – CO2 (s‐1)  1 

Column and gas temperature (K)  303.15 

phigh in column (bar)  2, 1.5 

plow in column (bar)  1.0, 0.8, or 0.6 

Feed flowrate (mol/s)  3.4 × 10‐3 

Feed gas mole fraction composition  0.5 CH4 + 0.5CO2 

 

Table DS8. Values of the LJMY‐Langmuir sorption isotherm parameters for ZIF‐7 at 303 K used to simulate a PVSA separation of an equimolar CO2 + CH4

 mixture, based on the data reported by Aram‐Niya et al. [163] and by Yang et al. [164]. 

Parameter  CO2  CH4 

  Adsorption  Desorption  Adsorption  Desorption 

ptr / bar  0.793  0.497  6.99  4.76 

 / bar  0.130  0.079  0.73  0.61 

Qstep / molkg‐1  1.20  1.20  1.00  1.00 

K /  molkg‐1bar‐1  0.65  0.75  0.20  0.32 

Qm / molkg‐1  0.89  0.89  0.88  0.79 

 

 

Page 212: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  211 

 

 

Figure DS6. Isotherm data and LJMY‐Langmuir fits for CO2 and CH4 on ZIF‐7 at 303 K. 

A user‐defined isotherm model was implemented in Aspen Adsorption for both beds. The simulation 

could be run using either (i) only the adsorption branch, (ii) only the desorption branch, or (iii) both 

branches as part of a fully hysteretic model. In this third case, for a given step of the PVSA cycle the 

appropriate branch of the isotherm was selected via a programming flag: during the “Adsorption” and 

“Repressurisation”  steps,  the  adsorption  branch  of  the  isotherm  was  selected,  while  for  the 

“Blowdown” and “Evacuate” steps, the desorption branch was selected. Sorption was assumed to be 

non‐competitive:  the equilibrium capacity of each component at a given node within  the bed was 

evaluated from the partial pressure of that component  in the gas phase at that node.  In principle, 

competitive  adsorption  effects  could  be  simulated  using,  for  example,  the  Osmotic  Framework 

Adsorbed Solution Theory proposed by Coudert et al. [62]. 

To ensure complete utilisation of the step in the CO2 isotherm by the PVSA process, the CO2 partial 

pressure  needs  to  swing  from     to  .  The  selectivity 

inferred  from  the  pure  fluid  isotherms  reaches  a maximum  of  about  7  at  a  (partial)  pressure  of 

; at higher pressures the selectivity decreases as the CH4 uptake increases faster than 

the CO2 uptake. To investigate the impact of varying the pressure swing limits in the PVSA cycle on the 

separation performance,  simulations were  conducted  for a high pressure of  (2 and 1.5) bar, with 

Page 213: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  212 

desorption pressures of either (1, 0.8, 0.6 or 0.4) bar; for an equimolar mixture, these values span the 

partial pressure limits identified above. The methane mole fraction of the light product stream (P1 in 

Figure DS5) was the metric used to assess changes in separation performance. These pressure swing 

limits and the resulting separation performance were also analysed in the context of the model used 

to represent the CO2 sorption isotherm: either fully hysteretic, just the adsorption branch or just the 

desorption branch. Figure DS7 shows the  light product methane mole fraction produced by a PVSA 

cycle using ZIF‐7 with phigh = 2 bar at the four values of plow considered, when the simulation used each 

of the three isotherm models. 

 

Figure DS7. Simulated methane content of light product (P1 stream in Figure DS5) produced from an 

equimolar feed of CH4 + CO2 using ZIF‐7 in a 2‐bed, 4‐step PVSA process with phigh = 2 bar. For every 

desorption  pressure  (plow)  considered  the  result  of  using  each  of  the  three  isotherm  models 

(adsorption branch, desorption branch or full hysteresis) is shown. 

 

There are three key features of the results shown in Figure DS7 that inform the design and simulation 

of PVSA cycles using a flexible MOF like ZIF‐7 with a hysteretic stepped isotherm. 

1. The separation performance predicted using the fully hysteretic  isotherm model  is typically 

worse than the performance predicted using either branch alone.  

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1 0.8 0.6 0.4

Lig

ht

prod

uct

CH

4m

ole

frac

tion

Desorption pressure (bar)

Ads Hyst Des

Page 214: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  213 

2. Single‐branch isotherm models will predict significantly better separation performance than 

the fully hysteretic model  if the pressure swing  limits phigh or plow are not both clear of the 

partial pressure limits   or  , respectively.  

3. If the pressure swing limits are consistent with the partial pressure limits required for a good 

separation, the performance predicted using the branch with the smallest transition width, , 

will be the more (overly) optimistic.  

There are two primary reasons for these features. The most important is the need for the pressure 

swing limits to be beyond the partial pressure limits set by the locations and widths of the steps on 

the two branches. The parameters in the LJMY isotherm model allow these to be readily identified, so 

that phigh and plow can be chosen to take advantage of the full isotherm step. For example, if only the 

adsorption branch  is considered  in the simulation and plow  is chosen so that the partial pressure  is 

below   but not below   then an overly optimistic separation performance will be 

predicted. This explains the high adsorption branch result observed for plow = (1 and 0.8) bar in Figure 

DS7. The converse also applies:  if phigh  is chosen so that the partial pressure  is above   but not 

above  ,  then simulations based only on  the desorption branch  isotherm will predict 

significantly better separation performance than those based on either the fully hysteretic model or 

the adsorption branch model. The simulations conducted with phigh = 1.5 bar  in  this work produce 

results with a similar pattern to that shown in Figure DS7, except that light product methane fractions 

are  lower  for all cases, reflecting  the reduction  in selectivity during the adsorption step. However, 

when plow was (0.6 or 0.4) bar, the desorption branch model predicted CH4 fractions around 0.8, similar 

to those shown in Figure DS7. In contrast, the fully hysteretic and adsorption branch models predicted 

CH4 fractions around 0.67 because phigh was not sufficient to clear the upper partial pressure limit of 

The second  reason  for  the  three  features  identified  is  that sharper  isotherm steps produce better 

separation performance. During the adsorption stage of the PVSA cycle, the partial pressure of the 

Page 215: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  214 

adsorbate varies spatially across the bed according to the gas‐phase composition profile. Narrower 

steps in the adsorption isotherm will act to sharpen the gas composition front in the bed and improve 

the separation performance. For ZIF‐7,   so models based on the desorption branch will 

always predict better performance than those based on the adsorption branch, provided the pressure 

swing  limits are appropriate.  Imposing  two different widths  in  the  fully hysteretic model  typically 

results  in a separation performance that  is slightly worse than that predicted using the adsorption 

branch model.   

Page 216: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  215 

Appendix E  

E1 – Data table for experimental data presented in Figure 2.1 and Figure 2.13 

Table E1. Data points extracted graphically from Couck et al. [60] 

Adsorbent  Gas  Temperature (K)  Pressure (kPa)  Quantity Adsorbed (mol/kg) 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  16.30  0.075 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  25.29  0.620 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  29.76  0.794 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  34.24  0.983 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  56.49  1.171 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  93.54  1.383 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  143.91  1.503 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  188.35  1.586 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  228.34  1.631 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  271.29  1.691 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  336.46  1.774 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  360.16  1.804 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  437.17  1.901 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  549.73  1.983 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  672.65  2.088 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  708.19  2.118 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  802.99  2.268 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  921.52  2.645 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1007.55  3.423 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1081.72  4.178 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1250.68  5.008 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1536.61  5.761 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1831.30  5.917 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  2109.70  5.982 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  2386.62  6.131 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  2824.98  6.421 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  2646.26  6.397 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  2455.87  6.350 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  2220.95  6.310 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1982.96  6.263 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1731.14  6.193 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1474.71  6.106 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  1216.72  5.949 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  958.68  5.674 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  702.19  5.430 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  448.58  4.699 

Page 217: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  216 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  314.13  2.405 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  186.46  1.784 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  106.53  1.556 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  61.94  1.367 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  37.30  1.187 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  18.80  0.990 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  15.66  0.794 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  14.06  0.629 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  288  6.15  0.031 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  14.86  0.257 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  17.86  0.469 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  28.26  0.680 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  50.51  0.892 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  90.52  1.050 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  118.68  1.171 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  163.13  1.314 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  241.64  1.517 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  317.19  1.645 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  358.66  1.720 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  520.10  1.900 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  653.39  2.027 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  896.27  2.214 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1034.00  2.334 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1085.83  2.386 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1269.52  2.785 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1325.89  3.321 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1466.69  4.038 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1683.12  5.314 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1709.78  5.374 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1980.86  5.916 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2154.14  6.111 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2254.86  6.268 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2524.40  6.462 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2582.15  6.492 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2776.15  6.596 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2909.43  6.678 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2396.34  6.395 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2221.74  6.311 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  2059.88  6.234 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1860.48  6.157 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1670.59  6.034 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1478.38  5.865 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1285.65  5.681 

Page 218: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  217 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  1082.82  5.459 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  896.14  5.106 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  697.64  4.601 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  544.25  2.996 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  343.52  1.886 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  192.00  1.516 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  107.33  1.283 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  63.59  1.073 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  41.35  0.933 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  29.34  0.770 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  22.91  0.654 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  18.97  0.577 

amino‐MIL‐53 (Al)  CO2  303  16.69  0.492 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  69.53  0.020 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  143.84  0.117 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  250.65  0.220 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  397.98  0.337 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  529.22  0.469 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  669.80  0.585 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  802.17  0.693 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  930.52  0.908 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1042.50  1.245 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1178.11  1.497 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1315.88  1.666 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1440.11  1.781 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1571.45  1.866 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1734.86  1.973 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1932.04  2.081 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2120.54  2.165 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2300.53  2.257 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2488.55  2.342 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2684.11  2.426 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2886.58  2.480 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2691.96  2.442 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2467.01  2.380 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  2221.73  2.303 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1971.92  2.195 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1719.91  2.065 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1461.34  1.919 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  1188.60  1.696 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  947.07  1.168 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  691.61  0.662 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  419.35  0.322 

Page 219: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  218 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  217.98  0.104 

amino‐MIL‐53 (Al)  CH4  303  115.98  0.001 

 

E2 – Data table for experimental data presented in Figure 2.3 

Table E2. Data points extracted graphically from Mason et al. [48] 

Adsorbent  Gas  Temperature (K)  Pressure (kPa)  Quantity Adsorbed (mol/kg) 

Fe(bdp)   CH4  248  74  0.17 

Fe(bdp)   CH4  248  202  0.25 

Fe(bdp)   CH4  248  319  0.39 

Fe(bdp)   CH4  248  621  0.59 

Fe(bdp)   CH4  248  818  0.72 

Fe(bdp)   CH4  248  1014  0.96 

Fe(bdp)   CH4  248  1147  1.38 

Fe(bdp)   CH4  248  1211  3.79 

Fe(bdp)   CH4  248  1269  7.72 

Fe(bdp)   CH4  248  1604  11.15 

Fe(bdp)   CH4  248  1843  11.74 

Fe(bdp)   CH4  248  1997  12.11 

Fe(bdp)   CH4  248  2119  12.40 

Fe(bdp)   CH4  248  2278  12.78 

Fe(bdp)   CH4  248  2512  13.34 

Fe(bdp)   CH4  248  2756  13.86 

Fe(bdp)   CH4  248  3011  14.63 

Fe(bdp)   CH4  248  3266  15.05 

Fe(bdp)   CH4  248  3521  15.34 

Fe(bdp)   CH4  248  3771  15.57 

Fe(bdp)   CH4  248  4020  15.82 

Fe(bdp)   CH4  248  4265  16.06 

Fe(bdp)   CH4  248  4504  16.26 

Fe(bdp)   CH4  248  4753  16.45 

Fe(bdp)   CH4  248  5003  16.62 

Fe(bdp)   CH4  248  5470  16.84 

Fe(bdp)   CH4  248  5964  17.11 

Fe(bdp)   CH4  248  6453  17.36 

Fe(bdp)   CH4  248  6984  17.56 

Fe(bdp)   CH4  248  6088  17.18 

Fe(bdp)   CH4  248  5102  16.63 

Fe(bdp)   CH4  248  4073  15.83 

Fe(bdp)   CH4  248  3040  14.77 

Fe(bdp)   CH4  248  2541  13.62 

Fe(bdp)   CH4  248  2038  12.45 

Page 220: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  219 

Fe(bdp)   CH4  248  1784  11.81 

Fe(bdp)   CH4  248  1614  11.38 

Fe(bdp)   CH4  248  1423  10.86 

Fe(bdp)   CH4  248  1222  10.21 

Fe(bdp)   CH4  248  1021  9.51 

Fe(bdp)   CH4  248  925  9.11 

Fe(bdp)   CH4  248  867  8.82 

Fe(bdp)   CH4  248  825  8.52 

Fe(bdp)   CH4  248  783  7.85 

Fe(bdp)   CH4  248  741  5.98 

Fe(bdp)   CH4  248  688  3.26 

Fe(bdp)   CH4  248  615  1.55 

Fe(bdp)   CH4  248  562  1.05 

Fe(bdp)   CH4  248  525  0.88 

Fe(bdp)   CH4  248  413  0.58 

Fe(bdp)   CH4  261  64  0.18 

Fe(bdp)   CH4  261  202  0.25 

Fe(bdp)   CH4  261  345  0.27 

Fe(bdp)   CH4  261  637  0.39 

Fe(bdp)   CH4  261  823  0.49 

Fe(bdp)   CH4  261  1020  0.59 

Fe(bdp)   CH4  261  1222  0.76 

Fe(bdp)   CH4  261  1349  0.88 

Fe(bdp)   CH4  261  1466  1.25 

Fe(bdp)   CH4  261  1540  2.74 

Fe(bdp)   CH4  261  1599  5.71 

Fe(bdp)   CH4  261  1657  8.35 

Fe(bdp)   CH4  261  1779  9.78 

Fe(bdp)   CH4  261  1891  10.27 

Fe(bdp)   CH4  261  2008  10.55 

Fe(bdp)   CH4  261  2098  10.77 

Fe(bdp)   CH4  261  2278  11.14 

Fe(bdp)   CH4  261  2517  11.63 

Fe(bdp)   CH4  261  2778  12.05 

Fe(bdp)   CH4  261  3027  12.47 

Fe(bdp)   CH4  261  3272  12.89 

Fe(bdp)   CH4  261  3521  13.36 

Fe(bdp)   CH4  261  3771  13.69 

Fe(bdp)   CH4  261  4020  14.32 

Fe(bdp)   CH4  261  4270  14.55 

Fe(bdp)   CH4  261  4514  14.77 

Fe(bdp)   CH4  261  4998  15.16 

Fe(bdp)   CH4  261  5508  15.45 

Page 221: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  220 

Fe(bdp)   CH4  261  5970  15.67 

Fe(bdp)   CH4  261  6442  15.84 

Fe(bdp)   CH4  261  6947  16.06 

Fe(bdp)   CH4  261  6067  15.66 

Fe(bdp)   CH4  261  5081  15.10 

Fe(bdp)   CH4  261  4069  14.33 

Fe(bdp)   CH4  261  3544  13.41 

Fe(bdp)   CH4  261  3035  12.74 

Fe(bdp)   CH4  261  2537  11.88 

Fe(bdp)   CH4  261  2017  10.83 

Fe(bdp)   CH4  261  1774  10.24 

Fe(bdp)   CH4  261  1620  9.89 

Fe(bdp)   CH4  261  1418  9.36 

Fe(bdp)   CH4  261  1217  8.77 

Fe(bdp)   CH4  261  1122  8.40 

Fe(bdp)   CH4  261  1021  7.90 

Fe(bdp)   CH4  261  963  7.23 

Fe(bdp)   CH4  261  931  6.38 

Fe(bdp)   CH4  261  889  4.88 

Fe(bdp)   CH4  261  832  2.71 

Fe(bdp)   CH4  261  768  1.65 

Fe(bdp)   CH4  261  716  1.12 

Fe(bdp)   CH4  261  525  0.48 

Fe(bdp)   CH4  273  53  0.15 

Fe(bdp)   CH4  273  175  0.19 

Fe(bdp)   CH4  273  329  0.29 

Fe(bdp)   CH4  273  632  0.35 

Fe(bdp)   CH4  273  823  0.41 

Fe(bdp)   CH4  273  1025  0.47 

Fe(bdp)   CH4  273  1216  0.54 

Fe(bdp)   CH4  273  1418  0.64 

Fe(bdp)   CH4  273  1609  0.73 

Fe(bdp)   CH4  273  1742  1.01 

Fe(bdp)   CH4  273  1832  1.97 

Fe(bdp)   CH4  273  1901  4.69 

Fe(bdp)   CH4  273  1986  7.55 

Fe(bdp)   CH4  273  2098  9.13 

Fe(bdp)   CH4  273  2209  9.78 

Fe(bdp)   CH4  273  2305  10.03 

Fe(bdp)   CH4  273  2417  10.25 

Fe(bdp)   CH4  273  2539  10.44 

Fe(bdp)   CH4  273  2714  10.74 

Fe(bdp)   CH4  273  2916  11.04 

Page 222: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  221 

Fe(bdp)   CH4  273  3219  11.48 

Fe(bdp)   CH4  273  3617  12.34 

Fe(bdp)   CH4  273  3999  12.96 

Fe(bdp)   CH4  273  4509  13.53 

Fe(bdp)   CH4  273  4976  13.88 

Fe(bdp)   CH4  273  5508  14.26 

Fe(bdp)   CH4  273  6007  14.51 

Fe(bdp)   CH4  273  6490  14.81 

Fe(bdp)   CH4  273  6963  15.18 

Fe(bdp)   CH4  273  6057  14.51 

Fe(bdp)   CH4  273  5066  13.78 

Fe(bdp)   CH4  273  4064  12.98 

Fe(bdp)   CH4  273  3491  12.31 

Fe(bdp)   CH4  273  3041  11.19 

Fe(bdp)   CH4  273  2018  9.45 

Fe(bdp)   CH4  273  1769  8.89 

Fe(bdp)   CH4  273  1620  8.52 

Fe(bdp)   CH4  273  1424  8.04 

Fe(bdp)   CH4  273  1233  7.32 

Fe(bdp)   CH4  273  1117  6.20 

Fe(bdp)   CH4  273  1038  3.99 

Fe(bdp)   CH4  273  927  1.89 

Fe(bdp)   CH4  273  816  0.98 

Fe(bdp)   CH4  285  53  0.15 

Fe(bdp)   CH4  285  175  0.19 

Fe(bdp)   CH4  285  329  0.29 

Fe(bdp)   CH4  285  632  0.35 

Fe(bdp)   CH4  285  823  0.41 

Fe(bdp)   CH4  285  1025  0.47 

Fe(bdp)   CH4  285  1216  0.54 

Fe(bdp)   CH4  285  1418  0.64 

Fe(bdp)   CH4  285  1609  0.73 

Fe(bdp)   CH4  285  1747  0.78 

Fe(bdp)   CH4  285  1896  0.88 

Fe(bdp)   CH4  285  2018  1.02 

Fe(bdp)   CH4  285  2119  1.30 

Fe(bdp)   CH4  285  2199  2.36 

Fe(bdp)   CH4  285  2273  4.60 

Fe(bdp)   CH4  285  2353  7.10 

Fe(bdp)   CH4  285  2438  8.43 

Fe(bdp)   CH4  285  2533  9.01 

Fe(bdp)   CH4  285  2624  9.40 

Fe(bdp)   CH4  285  2725  9.72 

Page 223: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  222 

Fe(bdp)   CH4  285  2836  9.99 

Fe(bdp)   CH4  285  2942  10.14 

Fe(bdp)   CH4  285  3038  10.27 

Fe(bdp)   CH4  285  3219  10.57 

Fe(bdp)   CH4  285  3415  10.81 

Fe(bdp)   CH4  285  3617  11.05 

Fe(bdp)   CH4  285  3813  11.31 

Fe(bdp)   CH4  285  4015  11.95 

Fe(bdp)   CH4  285  4281  12.34 

Fe(bdp)   CH4  285  4514  12.61 

Fe(bdp)   CH4  285  4775  12.86 

Fe(bdp)   CH4  285  5014  13.10 

Fe(bdp)   CH4  285  5502  13.42 

Fe(bdp)   CH4  285  5980  13.77 

Fe(bdp)   CH4  285  6464  14.14 

Fe(bdp)   CH4  285  7011  14.50 

Fe(bdp)   CH4  285  6063  13.74 

Fe(bdp)   CH4  285  5071  12.96 

Fe(bdp)   CH4  285  4069  12.06 

Fe(bdp)   CH4  285  3523  10.99 

Fe(bdp)   CH4  285  2527  9.49 

Fe(bdp)   CH4  285  2029  8.55 

Fe(bdp)   CH4  285  1801  8.05 

Fe(bdp)   CH4  285  1419  6.87 

Fe(bdp)   CH4  285  1324  6.05 

Fe(bdp)   CH4  285  1229  4.36 

Fe(bdp)   CH4  285  1134  2.45 

Fe(bdp)   CH4  285  1018  1.40 

Fe(bdp)   CH4  285  917  0.92 

Fe(bdp)   CH4  298  53  0.15 

Fe(bdp)   CH4  298  175  0.19 

Fe(bdp)   CH4  298  292  0.20 

Fe(bdp)   CH4  298  409  0.24 

Fe(bdp)   CH4  298  611  0.29 

Fe(bdp)   CH4  298  829  0.26 

Fe(bdp)   CH4  298  1025  0.31 

Fe(bdp)   CH4  298  1222  0.31 

Fe(bdp)   CH4  298  1423  0.34 

Fe(bdp)   CH4  298  1625  0.36 

Fe(bdp)   CH4  298  1832  0.53 

Fe(bdp)   CH4  298  2013  0.61 

Fe(bdp)   CH4  298  2167  0.71 

Fe(bdp)   CH4  298  2273  0.83 

Page 224: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  223 

Fe(bdp)   CH4  298  2379  0.98 

Fe(bdp)   CH4  298  2459  1.24 

Fe(bdp)   CH4  298  2533  2.02 

Fe(bdp)   CH4  298  2597  3.57 

Fe(bdp)   CH4  298  2666  5.46 

Fe(bdp)   CH4  298  2762  7.22 

Fe(bdp)   CH4  298  2852  8.08 

Fe(bdp)   CH4  298  2958  8.61 

Fe(bdp)   CH4  298  3054  8.95 

Fe(bdp)   CH4  298  3171  9.23 

Fe(bdp)   CH4  298  3282  9.43 

Fe(bdp)   CH4  298  3383  9.67 

Fe(bdp)   CH4  298  3505  9.87 

Fe(bdp)   CH4  298  3622  10.04 

Fe(bdp)   CH4  298  3750  10.22 

Fe(bdp)   CH4  298  3877  10.39 

Fe(bdp)   CH4  298  4026  10.53 

Fe(bdp)   CH4  298  4275  10.83 

Fe(bdp)   CH4  298  4509  11.55 

Fe(bdp)   CH4  298  4769  11.75 

Fe(bdp)   CH4  298  5008  11.97 

Fe(bdp)   CH4  298  5513  12.28 

Fe(bdp)   CH4  298  5964  12.58 

Fe(bdp)   CH4  298  6517  12.94 

Fe(bdp)   CH4  298  7016  13.31 

Fe(bdp)   CH4  298  6047  12.52 

Fe(bdp)   CH4  298  5050  11.80 

Fe(bdp)   CH4  298  4064  10.57 

Fe(bdp)   CH4  298  3036  9.15 

Fe(bdp)   CH4  298  2516  8.38 

Fe(bdp)   CH4  298  2029  7.47 

Fe(bdp)   CH4  298  1801  6.90 

Fe(bdp)   CH4  298  1626  6.16 

Fe(bdp)   CH4  298  1447  3.86 

Fe(bdp)   CH4  298  1346  2.50 

Fe(bdp)   CH4  298  1230  1.45 

Fe(bdp)   CH4  311  53  0.15 

Fe(bdp)   CH4  311  175  0.19 

Fe(bdp)   CH4  311  292  0.20 

Fe(bdp)   CH4  311  409  0.24 

Fe(bdp)   CH4  311  611  0.29 

Fe(bdp)   CH4  311  829  0.26 

Fe(bdp)   CH4  311  1025  0.31 

Page 225: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  224 

Fe(bdp)   CH4  311  1222  0.31 

Fe(bdp)   CH4  311  1423  0.34 

Fe(bdp)   CH4  311  1625  0.36 

Fe(bdp)   CH4  311  1822  0.38 

Fe(bdp)   CH4  311  2024  0.40 

Fe(bdp)   CH4  311  2172  0.53 

Fe(bdp)   CH4  311  2300  0.55 

Fe(bdp)   CH4  311  2448  0.62 

Fe(bdp)   CH4  311  2581  0.68 

Fe(bdp)   CH4  311  2698  0.78 

Fe(bdp)   CH4  311  2820  1.10 

Fe(bdp)   CH4  311  2910  1.82 

Fe(bdp)   CH4  311  2995  3.38 

Fe(bdp)   CH4  311  3086  5.11 

Fe(bdp)   CH4  311  3176  6.53 

Fe(bdp)   CH4  311  3282  7.39 

Fe(bdp)   CH4  311  3378  7.96 

Fe(bdp)   CH4  311  3458  8.30 

Fe(bdp)   CH4  311  3564  8.61 

Fe(bdp)   CH4  311  3659  8.85 

Fe(bdp)   CH4  311  3760  9.03 

Fe(bdp)   CH4  311  3861  9.24 

Fe(bdp)   CH4  311  3941  9.42 

Fe(bdp)   CH4  311  4031  9.54 

Fe(bdp)   CH4  311  4281  9.94 

Fe(bdp)   CH4  311  4520  10.25 

Fe(bdp)   CH4  311  4780  10.56 

Fe(bdp)   CH4  311  5035  11.20 

Fe(bdp)   CH4  311  5508  11.64 

Fe(bdp)   CH4  311  6023  11.98 

Fe(bdp)   CH4  311  6458  12.25 

Fe(bdp)   CH4  311  7011  12.52 

Fe(bdp)   CH4  311  6047  11.89 

Fe(bdp)   CH4  311  5056  11.12 

Fe(bdp)   CH4  311  4065  9.82 

Fe(bdp)   CH4  311  3529  9.05 

Fe(bdp)   CH4  311  3020  8.37 

Fe(bdp)   CH4  311  2527  7.51 

Fe(bdp)   CH4  311  2024  6.58 

Fe(bdp)   CH4  311  1807  5.74 

Fe(bdp)   CH4  311  1643  4.21 

Fe(bdp)   CH4  311  1436  2.15 

Fe(bdp)   CH4  311  1325  1.55 

Page 226: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  225 

Fe(bdp)   CH4  311  1219  1.15 

Fe(bdp)   CH4  311  514  0.35 

Fe(bdp)   CH4  323  53  0.15 

Fe(bdp)   CH4  323  175  0.19 

Fe(bdp)   CH4  323  292  0.20 

Fe(bdp)   CH4  323  409  0.24 

Fe(bdp)   CH4  323  611  0.29 

Fe(bdp)   CH4  323  829  0.26 

Fe(bdp)   CH4  323  1025  0.31 

Fe(bdp)   CH4  323  1222  0.31 

Fe(bdp)   CH4  323  1423  0.34 

Fe(bdp)   CH4  323  1625  0.36 

Fe(bdp)   CH4  323  1822  0.38 

Fe(bdp)   CH4  323  2024  0.40 

Fe(bdp)   CH4  323  2231  0.43 

Fe(bdp)   CH4  323  2432  0.46 

Fe(bdp)   CH4  323  2618  0.52 

Fe(bdp)   CH4  323  2825  0.60 

Fe(bdp)   CH4  323  3017  0.77 

Fe(bdp)   CH4  323  3149  1.10 

Fe(bdp)   CH4  323  3250  1.96 

Fe(bdp)   CH4  323  3341  3.25 

Fe(bdp)   CH4  323  3431  4.66 

Fe(bdp)   CH4  323  3521  5.93 

Fe(bdp)   CH4  323  3606  6.74 

Fe(bdp)   CH4  323  3697  7.26 

Fe(bdp)   CH4  323  3792  7.64 

Fe(bdp)   CH4  323  3882  7.95 

Fe(bdp)   CH4  323  3978  8.18 

Fe(bdp)   CH4  323  4052  8.33 

Fe(bdp)   CH4  323  4153  8.57 

Fe(bdp)   CH4  323  4244  8.75 

Fe(bdp)   CH4  323  4329  8.94 

Fe(bdp)   CH4  323  4440  9.14 

Fe(bdp)   CH4  323  4525  9.24 

Fe(bdp)   CH4  323  4775  9.51 

Fe(bdp)   CH4  323  5030  9.76 

Fe(bdp)   CH4  323  5470  10.08 

Fe(bdp)   CH4  323  5970  10.35 

Fe(bdp)   CH4  323  6464  10.52 

Fe(bdp)   CH4  323  6979  10.71 

Fe(bdp)   CH4  323  6037  10.18 

Fe(bdp)   CH4  323  5051  9.48 

Page 227: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  226 

Fe(bdp)   CH4  323  4049  8.53 

Fe(bdp)   CH4  323  3530  7.90 

Fe(bdp)   CH4  323  3021  7.08 

Fe(bdp)   CH4  323  2522  6.26 

Fe(bdp)   CH4  323  2035  5.13 

Fe(bdp)   CH4  323  1823  3.77 

Fe(bdp)   CH4  323  1638  2.27 

Fe(bdp)   CH4  323  504  0.02 

 

E3 – Data table for experimental data presented in Figure 2.8 

Table E3. Data points extracted graphically from Mason et al. [48] 

Adsorbent  Gas  Temperature (K)  Pressure (kPa)  Quantity Adsorbed (mol/kg) 

Co(bdp)  CH4  273  79  0.13 

Co(bdp)  CH4  273  214  0.18 

Co(bdp)  CH4  273  355  0.21 

Co(bdp)  CH4  273  512  0.26 

Co(bdp)  CH4  273  670  0.34 

Co(bdp)  CH4  273  827  0.40 

Co(bdp)  CH4  273  979  0.51 

Co(bdp)  CH4  273  1086  0.66 

Co(bdp)  CH4  273  1154  1.12 

Co(bdp)  CH4  273  1216  2.18 

Co(bdp)  CH4  273  1279  3.61 

Co(bdp)  CH4  273  1347  5.54 

Co(bdp)  CH4  273  1545  7.29 

Co(bdp)  CH4  273  1709  7.90 

Co(bdp)  CH4  273  1850  8.24 

Co(bdp)  CH4  273  1962  8.43 

Co(bdp)  CH4  273  2052  8.63 

Co(bdp)  CH4  273  2216  8.86 

Co(bdp)  CH4  273  2452  9.20 

Co(bdp)  CH4  273  2762  9.61 

Co(bdp)  CH4  273  3009  9.90 

Co(bdp)  CH4  273  3511  10.41 

Co(bdp)  CH4  273  3995  10.91 

Co(bdp)  CH4  273  4496  11.34 

Co(bdp)  CH4  273  4991  11.72 

Co(bdp)  CH4  273  5492  12.06 

Co(bdp)  CH4  273  5993  12.37 

Co(bdp)  CH4  273  6488  12.66 

Co(bdp)  CH4  273  6972  12.89 

Page 228: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  227 

Co(bdp)  CH4  273  6073  12.42 

Co(bdp)  CH4  273  5083  11.78 

Co(bdp)  CH4  273  4087  10.96 

Co(bdp)  CH4  273  3524  10.46 

Co(bdp)  CH4  273  2522  9.31 

Co(bdp)  CH4  273  1756  8.15 

Co(bdp)  CH4  273  1514  7.58 

Co(bdp)  CH4  273  1272  6.99 

Co(bdp)  CH4  273  1018  6.21 

Co(bdp)  CH4  273  882  5.72 

Co(bdp)  CH4  273  803  5.42 

Co(bdp)  CH4  273  753  5.19 

Co(bdp)  CH4  273  719  4.98 

Co(bdp)  CH4  273  690  4.74 

Co(bdp)  CH4  273  662  4.34 

Co(bdp)  CH4  273  621  3.22 

Co(bdp)  CH4  273  569  1.73 

Co(bdp)  CH4  273  512  0.72 

Co(bdp)  CH4  273  383  0.24 

Co(bdp)  CH4  285  101  0.12 

Co(bdp)  CH4  285  225  0.16 

Co(bdp)  CH4  285  349  0.20 

Co(bdp)  CH4  285  518  0.27 

Co(bdp)  CH4  285  653  0.34 

Co(bdp)  CH4  285  811  0.43 

Co(bdp)  CH4  285  957  0.48 

Co(bdp)  CH4  285  1120  0.55 

Co(bdp)  CH4  285  1278  0.65 

Co(bdp)  CH4  285  1357  0.94 

Co(bdp)  CH4  285  1424  1.73 

Co(bdp)  CH4  285  1481  2.96 

Co(bdp)  CH4  285  1555  4.35 

Co(bdp)  CH4  285  1680  6.02 

Co(bdp)  CH4  285  1815  6.78 

Co(bdp)  CH4  285  1928  7.20 

Co(bdp)  CH4  285  2035  7.47 

Co(bdp)  CH4  285  2221  7.93 

Co(bdp)  CH4  285  2407  8.26 

Co(bdp)  CH4  285  2609  8.54 

Co(bdp)  CH4  285  2818  8.81 

Co(bdp)  CH4  285  3009  9.03 

Co(bdp)  CH4  285  3257  9.33 

Co(bdp)  CH4  285  3521  9.58 

Page 229: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  228 

Co(bdp)  CH4  285  4000  10.05 

Co(bdp)  CH4  285  4501  10.45 

Co(bdp)  CH4  285  4996  10.84 

Co(bdp)  CH4  285  5492  11.23 

Co(bdp)  CH4  285  5993  11.57 

Co(bdp)  CH4  285  6494  11.84 

Co(bdp)  CH4  285  6983  12.16 

Co(bdp)  CH4  285  6049  11.52 

Co(bdp)  CH4  285  5070  10.85 

Co(bdp)  CH4  285  4063  10.04 

Co(bdp)  CH4  285  2532  8.40 

Co(bdp)  CH4  285  2031  7.64 

Co(bdp)  CH4  285  1778  7.17 

Co(bdp)  CH4  285  1513  6.61 

Co(bdp)  CH4  285  1321  6.13 

Co(bdp)  CH4  285  1169  5.71 

Co(bdp)  CH4  285  1028  5.26 

Co(bdp)  CH4  285  949  5.00 

Co(bdp)  CH4  285  898  4.79 

Co(bdp)  CH4  285  848  4.61 

Co(bdp)  CH4  285  819  4.39 

Co(bdp)  CH4  285  763  3.99 

Co(bdp)  CH4  285  723  3.09 

Co(bdp)  CH4  285  625  1.08 

Co(bdp)  CH4  285  405  0.26 

Co(bdp)  CH4  298  68  0.12 

Co(bdp)  CH4  298  180  0.13 

Co(bdp)  CH4  298  321  0.14 

Co(bdp)  CH4  298  613  0.18 

Co(bdp)  CH4  298  827  0.25 

Co(bdp)  CH4  298  940  0.29 

Co(bdp)  CH4  298  1131  0.32 

Co(bdp)  CH4  298  1300  0.35 

Co(bdp)  CH4  298  1452  0.43 

Co(bdp)  CH4  298  1542  0.58 

Co(bdp)  CH4  298  1593  0.77 

Co(bdp)  CH4  298  1661  1.41 

Co(bdp)  CH4  298  1734  2.51 

Co(bdp)  CH4  298  1819  3.73 

Co(bdp)  CH4  298  1899  4.78 

Co(bdp)  CH4  298  1989  5.50 

Co(bdp)  CH4  298  2079  5.97 

Co(bdp)  CH4  298  2164  6.28 

Page 230: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  229 

Co(bdp)  CH4  298  2248  6.54 

Co(bdp)  CH4  298  2327  6.75 

Co(bdp)  CH4  298  2423  7.01 

Co(bdp)  CH4  298  2524  7.21 

Co(bdp)  CH4  298  2654  7.51 

Co(bdp)  CH4  298  2812  7.76 

Co(bdp)  CH4  298  3020  8.11 

Co(bdp)  CH4  298  3262  8.41 

Co(bdp)  CH4  298  3515  8.71 

Co(bdp)  CH4  298  3999  9.14 

Co(bdp)  CH4  298  4506  9.54 

Co(bdp)  CH4  298  4996  9.92 

Co(bdp)  CH4  298  5502  10.28 

Co(bdp)  CH4  298  5998  10.62 

Co(bdp)  CH4  298  6493  10.92 

Co(bdp)  CH4  298  6994  11.22 

Co(bdp)  CH4  298  6054  10.65 

Co(bdp)  CH4  298  5058  10.00 

Co(bdp)  CH4  298  4062  9.23 

Co(bdp)  CH4  298  3528  8.70 

Co(bdp)  CH4  298  3027  8.17 

Co(bdp)  CH4  298  2526  7.54 

Co(bdp)  CH4  298  2030  6.73 

Co(bdp)  CH4  298  1766  6.25 

Co(bdp)  CH4  298  1512  5.71 

Co(bdp)  CH4  298  1270  5.11 

Co(bdp)  CH4  298  1112  4.67 

Co(bdp)  CH4  298  1016  4.38 

Co(bdp)  CH4  298  954  4.14 

Co(bdp)  CH4  298  920  3.95 

Co(bdp)  CH4  298  864  3.67 

Co(bdp)  CH4  298  818  3.24 

Co(bdp)  CH4  298  773  2.57 

Co(bdp)  CH4  298  715  1.51 

Co(bdp)  CH4  298  613  0.54 

Co(bdp)  CH4  311  90  0.08 

Co(bdp)  CH4  311  214  0.08 

Co(bdp)  CH4  311  338  0.10 

Co(bdp)  CH4  311  608  0.14 

Co(bdp)  CH4  311  822  0.21 

Co(bdp)  CH4  311  1013  0.22 

Co(bdp)  CH4  311  1204  0.29 

Co(bdp)  CH4  311  1407  0.30 

Page 231: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  230 

Co(bdp)  CH4  311  1525  0.39 

Co(bdp)  CH4  311  1666  0.45 

Co(bdp)  CH4  311  1795  0.73 

Co(bdp)  CH4  311  1858  1.24 

Co(bdp)  CH4  311  1931  2.04 

Co(bdp)  CH4  311  2005  2.92 

Co(bdp)  CH4  311  2089  3.80 

Co(bdp)  CH4  311  2169  4.56 

Co(bdp)  CH4  311  2264  5.18 

Co(bdp)  CH4  311  2360  5.59 

Co(bdp)  CH4  311  2462  5.92 

Co(bdp)  CH4  311  2558  6.18 

Co(bdp)  CH4  311  2653  6.39 

Co(bdp)  CH4  311  2755  6.59 

Co(bdp)  CH4  311  2834  6.76 

Co(bdp)  CH4  311  3014  7.14 

Co(bdp)  CH4  311  3267  7.53 

Co(bdp)  CH4  311  3515  7.87 

Co(bdp)  CH4  311  4005  8.39 

Co(bdp)  CH4  311  4500  8.82 

Co(bdp)  CH4  311  5001  9.19 

Co(bdp)  CH4  311  5491  9.56 

Co(bdp)  CH4  311  6003  9.87 

Co(bdp)  CH4  311  6498  10.16 

Co(bdp)  CH4  311  6994  10.41 

Co(bdp)  CH4  311  6048  9.86 

Co(bdp)  CH4  311  5046  9.19 

Co(bdp)  CH4  311  4039  8.35 

Co(bdp)  CH4  311  3026  7.24 

Co(bdp)  CH4  311  2525  6.57 

Co(bdp)  CH4  311  2030  5.80 

Co(bdp)  CH4  311  1770  5.31 

Co(bdp)  CH4  311  1517  4.79 

Co(bdp)  CH4  311  1320  4.35 

Co(bdp)  CH4  311  1168  3.96 

Co(bdp)  CH4  311  1077  3.71 

Co(bdp)  CH4  311  1021  3.49 

Co(bdp)  CH4  311  953  3.29 

Co(bdp)  CH4  311  919  3.09 

Co(bdp)  CH4  311  863  2.76 

Co(bdp)  CH4  311  823  2.25 

Co(bdp)  CH4  311  732  0.98 

Co(bdp)  CH4  323  73  0.08 

Page 232: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  231 

Co(bdp)  CH4  323  191  0.13 

Co(bdp)  CH4  323  338  0.18 

Co(bdp)  CH4  323  597  0.18 

Co(bdp)  CH4  323  799  0.18 

Co(bdp)  CH4  323  1013  0.24 

Co(bdp)  CH4  323  1199  0.30 

Co(bdp)  CH4  323  1413  0.32 

Co(bdp)  CH4  323  1621  0.34 

Co(bdp)  CH4  323  1767  0.41 

Co(bdp)  CH4  323  1874  0.47 

Co(bdp)  CH4  323  1959  0.69 

Co(bdp)  CH4  323  2032  1.17 

Co(bdp)  CH4  323  2111  1.81 

Co(bdp)  CH4  323  2184  2.52 

Co(bdp)  CH4  323  2269  3.38 

Co(bdp)  CH4  323  2371  4.18 

Co(bdp)  CH4  323  2456  4.73 

Co(bdp)  CH4  323  2563  5.08 

Co(bdp)  CH4  323  2653  5.41 

Co(bdp)  CH4  323  2743  5.66 

Co(bdp)  CH4  323  2839  5.83 

Co(bdp)  CH4  323  3013  6.27 

Co(bdp)  CH4  323  3272  6.71 

Co(bdp)  CH4  323  3526  7.13 

Co(bdp)  CH4  323  4016  7.67 

Co(bdp)  CH4  323  4505  8.14 

Co(bdp)  CH4  323  5001  8.51 

Co(bdp)  CH4  323  5496  8.88 

Co(bdp)  CH4  323  6003  9.18 

Co(bdp)  CH4  323  6498  9.45 

Co(bdp)  CH4  323  6999  9.71 

Co(bdp)  CH4  323  6036  9.17 

Co(bdp)  CH4  323  5046  8.52 

Co(bdp)  CH4  323  4050  7.68 

Co(bdp)  CH4  323  3020  6.57 

Co(bdp)  CH4  323  2519  5.89 

Co(bdp)  CH4  323  2018  5.09 

Co(bdp)  CH4  323  1764  4.65 

Co(bdp)  CH4  323  1511  4.13 

Co(bdp)  CH4  323  1330  3.74 

Co(bdp)  CH4  323  1167  3.41 

Co(bdp)  CH4  323  1066  3.10 

Co(bdp)  CH4  323  1015  2.96 

Page 233: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  232 

Co(bdp)  CH4  323  964  2.75 

Co(bdp)  CH4  323  919  2.50 

Co(bdp)  CH4  323  874  2.22 

Co(bdp)  CH4  323  823  1.81 

Co(bdp)  CH4  323  715  0.92 

 

E4 – Data table for experimental data presented in Figure 2.9 and Figure 2.10 

Table E4. Data table for experimental data presented in Figure 2.9 and Figure 2.10 

Adsorbent  Gas  Temperature (K)  Pressure (kPa)  Quantity Adsorbed (mol/kg) 

ZIF‐7  CO2  233  0.09  0.020 

ZIF‐7  CO2  233  0.46  0.084 

ZIF‐7  CO2  233  1.13  0.147 

ZIF‐7  CO2  233  1.87  0.333 

ZIF‐7  CO2  233  3.96  1.646 

ZIF‐7  CO2  233  26.09  1.879 

ZIF‐7  CO2  233  19.21  1.868 

ZIF‐7  CO2  233  9.54  1.808 

ZIF‐7  CO2  233  5.12  1.735 

ZIF‐7  CO2  233  3.87  1.696 

ZIF‐7  CO2  233  3.12  1.663 

ZIF‐7  CO2  233  1.91  1.573 

ZIF‐7  CO2  233  1.04  0.591 

ZIF‐7  CO2  233  0.49  0.445 

ZIF‐7  CO2  238  0.10  0.017 

ZIF‐7  CO2  238  0.48  0.064 

ZIF‐7  CO2  238  1.03  0.098 

ZIF‐7  CO2  238  2.00  0.178 

ZIF‐7  CO2  238  3.00  0.729 

ZIF‐7  CO2  238  4.30  1.551 

ZIF‐7  CO2  238  16.12  1.812 

ZIF‐7  CO2  238  20.96  1.838 

ZIF‐7  CO2  238  30.62  1.872 

ZIF‐7  CO2  238  39.76  1.893 

ZIF‐7  CO2  238  28.92  1.869 

ZIF‐7  CO2  238  19.34  1.835 

ZIF‐7  CO2  238  9.87  1.767 

ZIF‐7  CO2  238  5.18  1.679 

ZIF‐7  CO2  238  3.99  1.637 

ZIF‐7  CO2  238  3.10  1.592 

ZIF‐7  CO2  238  2.08  1.463 

ZIF‐7  CO2  238  1.02  0.457 

Page 234: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  233 

ZIF‐7  CO2  238  0.51  0.390 

ZIF‐7  CO2  244  0.56  0.055 

ZIF‐7  CO2  244  1.23  0.163 

ZIF‐7  CO2  244  3.32  0.483 

ZIF‐7  CO2  244  5.30  1.356 

ZIF‐7  CO2  244  39.25  1.853 

ZIF‐7  CO2  244  42.61  1.862 

ZIF‐7  CO2  244  44.75  1.867 

ZIF‐7  CO2  244  44.95  1.868 

ZIF‐7  CO2  244  40.80  1.859 

ZIF‐7  CO2  244  38.21  1.853 

ZIF‐7  CO2  244  35.72  1.847 

ZIF‐7  CO2  244  34.97  1.845 

ZIF‐7  CO2  244  32.53  1.839 

ZIF‐7  CO2  244  29.97  1.831 

ZIF‐7  CO2  244  27.49  1.822 

ZIF‐7  CO2  244  25.01  1.812 

ZIF‐7  CO2  244  22.49  1.800 

ZIF‐7  CO2  244  20.02  1.787 

ZIF‐7  CO2  244  17.51  1.771 

ZIF‐7  CO2  244  15.05  1.752 

ZIF‐7  CO2  244  12.10  1.722 

ZIF‐7  CO2  244  9.14  1.679 

ZIF‐7  CO2  244  6.89  1.632 

ZIF‐7  CO2  244  4.80  1.564 

ZIF‐7  CO2  244  3.92  1.484 

ZIF‐7  CO2  244  2.79  1.134 

ZIF‐7  CO2  247  4.97  0.454 

ZIF‐7  CO2  247  10.82  1.519 

ZIF‐7  CO2  247  24.38  1.750 

ZIF‐7  CO2  247  27.34  1.766 

ZIF‐7  CO2  247  30.38  1.780 

ZIF‐7  CO2  247  31.88  1.787 

ZIF‐7  CO2  247  35.13  1.800 

ZIF‐7  CO2  247  38.00  1.809 

ZIF‐7  CO2  247  40.93  1.818 

ZIF‐7  CO2  247  44.04  1.827 

ZIF‐7  CO2  247  46.95  1.834 

ZIF‐7  CO2  247  50.01  1.841 

ZIF‐7  CO2  247  53.06  1.847 

ZIF‐7  CO2  247  56.07  1.853 

ZIF‐7  CO2  247  60.04  1.861 

ZIF‐7  CO2  247  65.08  1.869 

Page 235: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  234 

ZIF‐7  CO2  247  69.97  1.876 

ZIF‐7  CO2  247  75.05  1.883 

ZIF‐7  CO2  247  80.02  1.890 

ZIF‐7  CO2  247  85.04  1.896 

ZIF‐7  CO2  247  90.00  1.902 

ZIF‐7  CO2  247  95.05  1.908 

ZIF‐7  CO2  247  100.04  1.913 

ZIF‐7  CO2  247  93.24  1.908 

ZIF‐7  CO2  247  88.23  1.904 

ZIF‐7  CO2  247  83.23  1.899 

ZIF‐7  CO2  247  80.03  1.896 

ZIF‐7  CO2  247  75.07  1.890 

ZIF‐7  CO2  247  70.08  1.884 

ZIF‐7  CO2  247  65.11  1.878 

ZIF‐7  CO2  247  59.96  1.871 

ZIF‐7  CO2  247  55.97  1.865 

ZIF‐7  CO2  247  52.93  1.860 

ZIF‐7  CO2  247  50.10  1.855 

ZIF‐7  CO2  247  47.13  1.849 

ZIF‐7  CO2  247  43.96  1.842 

ZIF‐7  CO2  247  40.96  1.835 

ZIF‐7  CO2  247  37.97  1.828 

ZIF‐7  CO2  247  34.98  1.819 

ZIF‐7  CO2  247  31.95  1.810 

ZIF‐7  CO2  247  29.01  1.800 

ZIF‐7  CO2  247  26.01  1.787 

ZIF‐7  CO2  247  23.01  1.773 

ZIF‐7  CO2  247  20.02  1.756 

ZIF‐7  CO2  247  17.06  1.735 

ZIF‐7  CO2  247  14.04  1.709 

ZIF‐7  CO2  247  11.09  1.674 

ZIF‐7  CO2  247  8.18  1.625 

ZIF‐7  CO2  247  4.77  1.524 

ZIF‐7  CO2  253  4.82  0.378 

ZIF‐7  CO2  253  14.43  1.639 

ZIF‐7  CO2  253  44.29  1.805 

ZIF‐7  CO2  253  48.60  1.817 

ZIF‐7  CO2  253  51.65  1.824 

ZIF‐7  CO2  253  53.01  1.828 

ZIF‐7  CO2  253  56.13  1.834 

ZIF‐7  CO2  253  60.06  1.841 

ZIF‐7  CO2  253  65.00  1.850 

ZIF‐7  CO2  253  70.05  1.858 

Page 236: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  235 

ZIF‐7  CO2  253  75.05  1.865 

ZIF‐7  CO2  253  80.07  1.872 

ZIF‐7  CO2  253  85.05  1.878 

ZIF‐7  CO2  253  90.03  1.884 

ZIF‐7  CO2  253  95.05  1.889 

ZIF‐7  CO2  253  100.03  1.895 

ZIF‐7  CO2  253  93.26  1.889 

ZIF‐7  CO2  253  88.28  1.884 

ZIF‐7  CO2  253  83.27  1.879 

ZIF‐7  CO2  253  80.03  1.876 

ZIF‐7  CO2  253  75.07  1.870 

ZIF‐7  CO2  253  69.95  1.863 

ZIF‐7  CO2  253  65.05  1.856 

ZIF‐7  CO2  253  60.12  1.848 

ZIF‐7  CO2  253  55.95  1.841 

ZIF‐7  CO2  253  52.94  1.835 

ZIF‐7  CO2  253  49.97  1.829 

ZIF‐7  CO2  253  46.96  1.822 

ZIF‐7  CO2  253  43.97  1.815 

ZIF‐7  CO2  253  40.95  1.807 

ZIF‐7  CO2  253  37.98  1.798 

ZIF‐7  CO2  253  34.95  1.789 

ZIF‐7  CO2  253  32.01  1.778 

ZIF‐7  CO2  253  28.99  1.765 

ZIF‐7  CO2  253  26.03  1.751 

ZIF‐7  CO2  253  23.01  1.734 

ZIF‐7  CO2  253  20.01  1.714 

ZIF‐7  CO2  253  17.05  1.690 

ZIF‐7  CO2  253  14.06  1.658 

ZIF‐7  CO2  253  11.11  1.618 

ZIF‐7  CO2  253  8.21  1.560 

ZIF‐7  CO2  253  5.23  1.273 

ZIF‐7  CO2  253  2.58  0.323 

ZIF‐7  CO2  253  1.28  0.222 

ZIF‐7  CO2  273  2.62  0.067 

ZIF‐7  CO2  273  7.22  0.217 

ZIF‐7  CO2  273  13.79  0.345 

ZIF‐7  CO2  273  15.43  0.383 

ZIF‐7  CO2  273  19.72  0.604 

ZIF‐7  CO2  273  24.83  1.121 

ZIF‐7  CO2  273  43.80  1.561 

ZIF‐7  CO2  273  46.42  1.574 

ZIF‐7  CO2  273  51.19  1.593 

Page 237: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  236 

ZIF‐7  CO2  273  54.96  1.606 

ZIF‐7  CO2  273  60.00  1.622 

ZIF‐7  CO2  273  65.04  1.636 

ZIF‐7  CO2  273  70.07  1.648 

ZIF‐7  CO2  273  75.04  1.659 

ZIF‐7  CO2  273  80.05  1.669 

ZIF‐7  CO2  273  85.04  1.679 

ZIF‐7  CO2  273  90.05  1.687 

ZIF‐7  CO2  273  95.03  1.696 

ZIF‐7  CO2  273  100.01  1.703 

ZIF‐7  CO2  273  93.42  1.695 

ZIF‐7  CO2  273  88.33  1.688 

ZIF‐7  CO2  273  83.37  1.680 

ZIF‐7  CO2  273  79.94  1.674 

ZIF‐7  CO2  273  75.12  1.665 

ZIF‐7  CO2  273  70.05  1.655 

ZIF‐7  CO2  273  65.14  1.643 

ZIF‐7  CO2  273  60.01  1.630 

ZIF‐7  CO2  273  55.16  1.617 

ZIF‐7  CO2  273  49.98  1.601 

ZIF‐7  CO2  273  44.97  1.583 

ZIF‐7  CO2  273  39.99  1.562 

ZIF‐7  CO2  273  35.00  1.537 

ZIF‐7  CO2  273  30.05  1.508 

ZIF‐7  CO2  273  25.07  1.472 

ZIF‐7  CO2  273  20.21  1.423 

ZIF‐7  CO2  273  14.81  1.153 

ZIF‐7  CO2  273  9.72  0.363 

ZIF‐7  CO2  273  4.00  0.208 

ZIF‐7  CO2  273  2.58  0.163 

ZIF‐7  CO2  273  0.92  0.105 

ZIF‐7  CO2  283  4.89  0.119 

ZIF‐7  CO2  283  8.59  0.173 

ZIF‐7  CO2  283  11.26  0.206 

ZIF‐7  CO2  283  13.82  0.239 

ZIF‐7  CO2  283  16.98  0.282 

ZIF‐7  CO2  283  19.87  0.328 

ZIF‐7  CO2  283  22.85  0.386 

ZIF‐7  CO2  283  25.60  0.470 

ZIF‐7  CO2  283  29.11  0.699 

ZIF‐7  CO2  283  32.38  0.999 

ZIF‐7  CO2  283  38.55  1.243 

ZIF‐7  CO2  283  40.83  1.296 

Page 238: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  237 

ZIF‐7  CO2  283  44.60  1.373 

ZIF‐7  CO2  283  46.93  1.410 

ZIF‐7  CO2  283  50.02  1.447 

ZIF‐7  CO2  283  53.03  1.471 

ZIF‐7  CO2  283  55.99  1.488 

ZIF‐7  CO2  283  59.99  1.504 

ZIF‐7  CO2  283  80.03  1.558 

ZIF‐7  CO2  283  99.52  1.595 

ZIF‐7  CO2  283  79.64  1.559 

ZIF‐7  CO2  283  60.04  1.508 

ZIF‐7  CO2  283  54.70  1.491 

ZIF‐7  CO2  283  52.83  1.484 

ZIF‐7  CO2  283  50.11  1.474 

ZIF‐7  CO2  283  46.96  1.461 

ZIF‐7  CO2  283  43.97  1.448 

ZIF‐7  CO2  283  40.97  1.434 

ZIF‐7  CO2  283  37.98  1.418 

ZIF‐7  CO2  283  34.99  1.401 

ZIF‐7  CO2  283  32.01  1.381 

ZIF‐7  CO2  283  29.03  1.358 

ZIF‐7  CO2  283  26.13  1.326 

ZIF‐7  CO2  283  22.67  1.228 

ZIF‐7  CO2  283  19.51  0.940 

ZIF‐7  CO2  283  17.40  0.535 

ZIF‐7  CO2  283  14.58  0.351 

ZIF‐7  CO2  283  11.03  0.258 

ZIF‐7  CO2  283  7.86  0.195 

ZIF‐7  CO2  283  4.87  0.137 

ZIF‐7  CO2  293  5.08  0.113 

ZIF‐7  CO2  293  7.85  0.145 

ZIF‐7  CO2  293  11.80  0.182 

ZIF‐7  CO2  293  13.78  0.199 

ZIF‐7  CO2  293  16.96  0.225 

ZIF‐7  CO2  293  19.96  0.249 

ZIF‐7  CO2  293  22.93  0.274 

ZIF‐7  CO2  293  25.96  0.300 

ZIF‐7  CO2  293  28.94  0.329 

ZIF‐7  CO2  293  31.97  0.361 

ZIF‐7  CO2  293  34.95  0.396 

ZIF‐7  CO2  293  37.90  0.438 

ZIF‐7  CO2  293  40.89  0.493 

ZIF‐7  CO2  293  43.80  0.568 

ZIF‐7  CO2  293  46.58  0.689 

Page 239: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  238 

ZIF‐7  CO2  293  49.77  0.876 

ZIF‐7  CO2  293  54.35  1.084 

ZIF‐7  CO2  293  56.54  1.151 

ZIF‐7  CO2  293  59.39  1.223 

ZIF‐7  CO2  293  82.69  1.519 

ZIF‐7  CO2  293  99.40  1.582 

ZIF‐7  CO2  293  79.81  1.540 

ZIF‐7  CO2  293  60.47  1.480 

ZIF‐7  CO2  293  54.91  1.456 

ZIF‐7  CO2  293  52.79  1.446 

ZIF‐7  CO2  293  50.01  1.430 

ZIF‐7  CO2  293  47.03  1.409 

ZIF‐7  CO2  293  44.08  1.379 

ZIF‐7  CO2  293  41.07  1.337 

ZIF‐7  CO2  293  38.15  1.279 

ZIF‐7  CO2  293  35.32  1.189 

ZIF‐7  CO2  293  32.59  1.039 

ZIF‐7  CO2  293  28.61  0.675 

ZIF‐7  CO2  293  23.25  0.387 

ZIF‐7  CO2  293  21.97  0.364 

ZIF‐7  CO2  293  19.69  0.324 

ZIF‐7  CO2  293  16.91  0.279 

ZIF‐7  CO2  293  14.00  0.238 

ZIF‐7  CO2  293  11.03  0.201 

ZIF‐7  CO2  293  8.12  0.166 

ZIF‐7  CO2  293  5.15  0.126 

 

E5 – Data table for experimental data presented in Figure 2.11 

Table E5. Data points extracted graphically from McDonald et al. [64] 

Adsorbent  Gas  Temperature (K)  Pressure (kPa)  Quantity Adsorbed (mol/kg) 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  0.00  0.04 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  1.16  0.12 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  2.54  0.22 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  3.63  0.32 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.00  0.36 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.07  0.58 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.01  0.79 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.08  0.99 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.16  1.23 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.38  1.40 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.75  1.68 

Page 240: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  239 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  4.90  1.82 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  5.55  2.03 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  5.99  2.18 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  6.50  2.27 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  7.30  2.36 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  7.66  2.40 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  9.77  2.58 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  12.39  2.69 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  15.00  2.76 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  17.54  2.83 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  20.23  2.88 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  25.02  2.96 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  30.10  3.03 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  35.11  3.09 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  40.04  3.15 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  45.12  3.20 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  49.99  3.25 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  55.36  3.31 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  60.29  3.35 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  65.30  3.40 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  70.31  3.44 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  75.39  3.49 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  80.33  3.53 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  85.33  3.58 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  90.34  3.62 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  95.35  3.66 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  100.21  3.70 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  105.29  3.76 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  298  110.30  3.79 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  0.51  0.05 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  2.40  0.13 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  4.36  0.19 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  6.46  0.26 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  7.48  0.29 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  9.95  0.35 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  12.42  0.45 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  13.59  0.93 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  14.03  1.27 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  14.61  1.41 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  16.58  1.76 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  17.38  1.86 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  19.99  2.09 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  25.08  2.33 

Page 241: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  240 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  29.73  2.47 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  34.81  2.58 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  40.18  2.66 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  45.11  2.73 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  50.20  2.79 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  55.06  2.84 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  60.07  2.89 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  65.22  2.94 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  70.23  2.98 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  75.24  3.02 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  80.17  3.06 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  85.25  3.10 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  90.19  3.14 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  95.27  3.18 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  100.20  3.22 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  105.28  3.26 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  313  110.07  3.28 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  2.61  0.02 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  4.50  0.06 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  6.53  0.11 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  7.84  0.13 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  9.65  0.16 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  12.56  0.21 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  14.88  0.24 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  17.28  0.27 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  20.03  0.30 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  24.75  0.41 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  26.95  1.27 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  28.77  1.61 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  29.78  1.73 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  33.13  2.02 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  34.87  2.12 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  39.74  2.33 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  44.89  2.47 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  49.90  2.57 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  55.20  2.65 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  60.14  2.72 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  65.29  2.77 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  70.23  2.82 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  75.45  2.87 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  80.24  2.91 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  85.39  2.95 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  90.33  2.99 

Page 242: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  241 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  95.41  3.02 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  100.35  3.06 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  105.35  3.10 

mmen‐Fe2(dobpdc)  CO2  323  110.22  3.13 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  0.29  0.06 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  1.45  0.12 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  2.75  0.18 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  4.34  0.26 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  6.07  0.35 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  8.02  0.43 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  9.97  0.51 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  12.57  1.78 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  14.67  1.96 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  15.17  2.39 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  16.91  2.51 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  19.44  2.64 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  22.62  2.74 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  24.93  2.81 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  27.53  2.87 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  29.91  2.92 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  32.51  2.96 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  34.83  2.99 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  37.36  3.03 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  40.10  3.06 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  42.49  3.10 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  44.94  3.14 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  47.47  3.17 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  49.93  3.20 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  52.46  3.23 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  54.99  3.26 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  57.51  3.30 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  60.04  3.33 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  62.28  3.35 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  65.03  3.38 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  67.34  3.40 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  69.94  3.43 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  72.47  3.47 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  74.93  3.49 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  77.38  3.52 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  79.84  3.54 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  82.44  3.57 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  84.97  3.60 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  87.43  3.62 

Page 243: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  242 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  89.88  3.64 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  92.41  3.67 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  94.80  3.69 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  97.33  3.72 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  99.71  3.74 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  102.38  3.77 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  104.77  3.79 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  298  109.68  3.83 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  0.72  0.02 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  2.67  0.06 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  5.42  0.11 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  7.73  0.15 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  10.12  0.19 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  12.57  0.23 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  15.03  0.27 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  17.49  0.31 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  19.94  0.35 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  22.47  0.38 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  24.93  0.42 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  27.53  0.45 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  29.99  0.49 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  32.51  0.52 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  34.83  0.56 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  37.43  0.60 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  40.10  0.64 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  42.63  0.67 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  42.85  2.17 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  47.04  2.39 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  48.84  2.46 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  52.31  2.60 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  55.06  2.69 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  57.37  2.76 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  59.83  2.82 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  62.36  2.86 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  64.88  2.90 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  67.41  2.94 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  70.01  2.98 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  72.40  3.01 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  74.93  3.04 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  77.31  3.07 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  79.84  3.10 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  82.37  3.13 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  84.90  3.16 

Page 244: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  243 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  87.43  3.18 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  89.88  3.20 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  92.34  3.22 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  94.65  3.23 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  97.25  3.27 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  99.86  3.29 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  102.31  3.30 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  104.77  3.32 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  107.30  3.34 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  313  109.68  3.35 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  2.75  0.01 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  5.06  0.04 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  7.23  0.05 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  9.47  0.08 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  11.99  0.09 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  14.81  0.12 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  17.41  0.15 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  20.09  0.18 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  22.69  0.21 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  25.14  0.24 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  27.53  0.26 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  29.99  0.28 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  32.51  0.30 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  35.04  0.32 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  37.72  0.35 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  40.25  0.38 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  42.56  0.39 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  45.01  0.41 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  47.69  0.44 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  50.14  0.46 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  52.46  0.49 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  55.13  0.51 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  57.66  0.53 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  59.97  0.55 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  62.36  0.58 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  65.03  0.60 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  67.34  0.63 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  69.94  0.65 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  72.54  0.68 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  75.00  0.70 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  77.46  0.73 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  79.99  0.76 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  82.44  0.81 

Page 245: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  244 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  84.03  2.24 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  85.62  2.45 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  86.99  2.52 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  89.31  2.65 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  92.70  2.69 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  94.80  2.74 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  97.40  2.78 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  99.86  2.83 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  102.17  2.86 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  104.91  2.92 

mmen‐CO2(dobpdc)   CO2  323  109.68  2.99 

 

E6 – Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 3 

Table E6. Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 3 

Adsorbent  Gas  Temperature (°C)  Pressure (kPa)  Quantity Adsorbed (mmol/g) 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  1.41  0.034 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  2.67  0.056 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  4.88  0.094 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  9.74  0.178 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  19.64  0.339 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  29.98  0.490 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  40.19  0.623 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  50.16  0.741 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  60.01  0.850 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  70.18  0.954 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  80.12  1.045 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  89.97  1.129 

TMAY ‐ CBV100  CH4  ‐15  99.98  1.227 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  0.04  0.000 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  0.12  0.001 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  0.21  0.002 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  0.29  0.003 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  0.45  0.005 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  0.68  0.008 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  0.82  0.010 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  1.02  0.012 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  1.21  0.014 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  1.50  0.018 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  1.86  0.021 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  2.20  0.026 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  2.71  0.033 

Page 246: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  245 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  3.32  0.039 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  4.03  0.047 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  4.96  0.059 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  6.06  0.073 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  7.37  0.089 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  8.98  0.108 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  10.96  0.131 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  13.39  0.160 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  16.31  0.193 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  19.94  0.233 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  24.29  0.281 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  29.69  0.337 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  36.18  0.403 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  44.26  0.479 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  54.14  0.560 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  65.92  0.646 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  80.65  0.745 

TMAY ‐ CBV100  CH4  0  98.21  0.857 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  5.43  0.039 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  11.19  0.075 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  19.93  0.129 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  30.00  0.182 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  39.87  0.234 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  49.97  0.281 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  60.12  0.326 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  70.05  0.368 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  80.13  0.411 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  90.11  0.453 

TMAY ‐ CBV100  CH4  30  100.04  0.499 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  1.29  0.008 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  2.80  0.012 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  5.60  0.019 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  9.99  0.031 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  19.79  0.056 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  29.94  0.082 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  40.06  0.107 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  50.04  0.132 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  60.05  0.156 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  70.03  0.179 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  80.05  0.202 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  89.99  0.225 

TMAY ‐ CBV100  N2  ‐15  100.04  0.247 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  0.03  0.000 

Page 247: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  246 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  0.12  0.000 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  0.21  0.000 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  0.30  0.001 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  0.45  0.001 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  0.72  0.001 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  0.97  0.002 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  1.04  0.002 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  1.43  0.002 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  1.51  0.002 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  2.11  0.004 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  2.23  0.004 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  3.13  0.006 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  3.35  0.007 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  4.08  0.009 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  4.97  0.012 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  6.06  0.014 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  7.36  0.017 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  8.99  0.021 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  10.97  0.027 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  13.40  0.033 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  16.33  0.040 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  19.94  0.049 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  24.33  0.060 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  29.70  0.073 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  36.27  0.088 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  44.25  0.106 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  54.03  0.128 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  65.97  0.153 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  80.50  0.183 

TMAY ‐ CBV100  N2  0  98.30  0.217 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  1.35  0.003 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  2.85  0.004 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  5.63  0.007 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  10.00  0.011 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  19.83  0.021 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  29.97  0.032 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  40.11  0.042 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  50.18  0.052 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  59.95  0.062 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  70.18  0.072 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  80.12  0.081 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  90.05  0.091 

TMAY ‐ CBV100  N2  30  99.95  0.101 

Page 248: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  247 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  0.13  0.000 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  0.21  0.001 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  0.30  0.001 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  0.45  0.002 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  0.71  0.002 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  0.98  0.006 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  1.08  0.005 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  1.41  0.008 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  1.50  0.009 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  2.12  0.012 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  2.26  0.013 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  2.73  0.015 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  3.79  0.021 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  4.05  0.023 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  4.96  0.026 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  6.89  0.036 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  7.41  0.039 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  9.03  0.048 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  10.94  0.056 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  13.34  0.067 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  16.29  0.083 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  19.92  0.099 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  24.33  0.118 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  29.72  0.140 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  36.28  0.166 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  44.26  0.198 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  54.05  0.231 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  65.96  0.270 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  80.54  0.312 

TMAY ‐ CBV720  CH4  ‐15  98.29  0.358 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  0.13  0.000 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  0.20  0.000 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  0.30  0.001 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  0.45  0.001 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  0.69  0.002 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  0.96  0.002 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  1.16  0.003 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  1.27  0.005 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  1.51  0.006 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  2.10  0.007 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  2.55  0.010 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  2.73  0.010 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  3.80  0.014 

Page 249: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  248 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  4.05  0.016 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  4.95  0.018 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  6.89  0.025 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  7.35  0.028 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  8.98  0.032 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  12.53  0.045 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  13.36  0.048 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  16.33  0.058 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  19.88  0.070 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  24.27  0.082 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  29.74  0.099 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  36.20  0.117 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  44.36  0.141 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  54.18  0.167 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  66.01  0.194 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  80.52  0.223 

TMAY ‐ CBV720  CH4  0  98.32  0.258 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  0.69  0.001 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  0.84  0.001 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  1.16  0.003 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  1.29  0.004 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  1.73  0.002 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  2.10  0.003 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  2.24  0.005 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  2.73  0.005 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  3.81  0.006 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  4.06  0.008 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  4.94  0.007 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  6.91  0.015 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  7.37  0.015 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  10.34  0.024 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  10.96  0.026 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  13.37  0.030 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  18.24  0.044 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  19.91  0.047 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  24.35  0.057 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  29.72  0.069 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  36.31  0.085 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  44.23  0.102 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  54.04  0.121 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  66.05  0.144 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  80.56  0.167 

TMAY ‐ CBV720  CH4  30  98.35  0.191 

Page 250: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  249 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  2.25  0.001 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  3.16  0.002 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  3.32  0.003 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  4.04  0.004 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  5.66  0.006 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  6.92  0.006 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  8.42  0.008 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  8.98  0.007 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  12.56  0.013 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  13.39  0.015 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  16.33  0.018 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  21.88  0.026 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  24.30  0.031 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  29.68  0.038 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  36.27  0.048 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  44.19  0.058 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  54.04  0.073 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  66.01  0.089 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  80.56  0.106 

TMAY ‐ CBV720  N2  ‐15  98.31  0.127 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  6.88  0.002 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  7.36  0.001 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  10.31  0.004 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  10.96  0.006 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  13.41  0.008 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  18.35  0.015 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  19.91  0.017 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  24.31  0.019 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  31.59  0.035 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  36.24  0.041 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  44.17  0.047 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  54.03  0.055 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  65.95  0.062 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  80.45  0.070 

TMAY ‐ CBV720  N2  30  98.34  0.081 

NaY  CH4  0  1.28  0.013 

NaY  CH4  0  2.76  0.022 

NaY  CH4  0  4.90  0.035 

NaY  CH4  0  9.85  0.066 

NaY  CH4  0  19.75  0.126 

NaY  CH4  0  30.07  0.186 

NaY  CH4  0  40.07  0.243 

NaY  CH4  0  50.14  0.301 

Page 251: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  250 

NaY  CH4  0  60.07  0.355 

NaY  CH4  0  70.00  0.410 

NaY  CH4  0  80.14  0.465 

NaY  CH4  0  90.06  0.518 

NaY  CH4  0  100.06  0.571 

NaY  CH4  30  1.34  0.010 

NaY  CH4  30  2.82  0.015 

NaY  CH4  30  4.93  0.023 

NaY  CH4  30  9.91  0.042 

NaY  CH4  30  19.84  0.079 

NaY  CH4  30  29.95  0.117 

NaY  CH4  30  39.98  0.152 

NaY  CH4  30  49.93  0.186 

NaY  CH4  30  60.11  0.221 

NaY  CH4  30  70.19  0.256 

NaY  CH4  30  80.23  0.290 

NaY  CH4  30  90.16  0.322 

NaY  CH4  30  100.13  0.355 

NaY  N2  0  1.30  0.012 

NaY  N2  0  2.81  0.018 

NaY  N2  0  5.59  0.030 

NaY  N2  0  9.96  0.048 

NaY  N2  0  19.81  0.089 

NaY  N2  0  29.98  0.131 

NaY  N2  0  39.94  0.171 

NaY  N2  0  49.99  0.212 

NaY  N2  0  60.07  0.252 

NaY  N2  0  69.97  0.291 

NaY  N2  0  80.05  0.330 

NaY  N2  0  90.09  0.369 

NaY  N2  0  100.02  0.407 

NaY  N2  30  1.36  0.004 

NaY  N2  30  2.81  0.008 

NaY  N2  30  4.97  0.013 

NaY  N2  30  9.91  0.024 

NaY  N2  30  19.84  0.047 

NaY  N2  30  29.95  0.070 

NaY  N2  30  40.13  0.093 

NaY  N2  30  49.96  0.115 

NaY  N2  30  60.15  0.137 

NaY  N2  30  70.15  0.159 

NaY  N2  30  80.21  0.180 

NaY  N2  30  90.10  0.201 

Page 252: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  251 

NaY  N2  30  100.05  0.222 

TMAY Not Degassed  CH4  0  1.36  0.003 

TMAY Not Degassed  CH4  0  2.84  0.004 

TMAY Not Degassed  CH4  0  5.67  0.006 

TMAY Not Degassed  CH4  0  9.98  0.010 

TMAY Not Degassed  CH4  0  19.85  0.018 

TMAY Not Degassed  CH4  0  30.24  0.025 

TMAY Not Degassed  CH4  0  40.31  0.032 

TMAY Not Degassed  CH4  0  50.19  0.039 

TMAY Not Degassed  CH4  0  60.32  0.046 

TMAY Not Degassed  CH4  0  70.19  0.051 

TMAY Not Degassed  CH4  0  80.20  0.057 

TMAY Not Degassed  CH4  0  90.30  0.063 

TMAY Not Degassed  CH4  0  100.17  0.068 

TMAY Not Degassed  CH4  30  1.43  0.001 

TMAY Not Degassed  CH4  30  2.87  0.001 

TMAY Not Degassed  CH4  30  4.99  0.002 

TMAY Not Degassed  CH4  30  9.94  0.004 

TMAY Not Degassed  CH4  30  19.98  0.008 

TMAY Not Degassed  CH4  30  29.91  0.010 

TMAY Not Degassed  CH4  30  40.19  0.013 

TMAY Not Degassed  CH4  30  50.17  0.015 

TMAY Not Degassed  CH4  30  60.19  0.018 

TMAY Not Degassed  CH4  30  70.28  0.021 

TMAY Not Degassed  CH4  30  80.23  0.023 

TMAY Not Degassed  CH4  30  90.24  0.025 

TMAY Not Degassed  CH4  30  100.14  0.027 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  1.42  0.016 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  2.69  0.026 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  4.84  0.044 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  9.75  0.083 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  19.67  0.160 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  29.97  0.237 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  40.12  0.312 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  50.13  0.382 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  60.18  0.450 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  70.08  0.517 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  80.19  0.583 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  89.98  0.645 

TMA‐Mg‐Y  CH4  0  100.07  0.707 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  1.32  0.007 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  2.77  0.013 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  4.93  0.022 

Page 253: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  252 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  9.87  0.041 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  19.75  0.080 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  30.07  0.120 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  40.13  0.158 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  50.10  0.195 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  60.13  0.232 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  70.08  0.267 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  79.99  0.302 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  90.10  0.337 

TMA‐Mg‐Y  CH4  30  100.09  0.372 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  1.34  0.006 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  2.84  0.010 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  4.94  0.015 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  9.92  0.028 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  19.85  0.054 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  29.96  0.079 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  39.95  0.104 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  49.95  0.128 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  60.04  0.152 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  70.10  0.176 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  80.06  0.199 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  90.04  0.222 

TMA‐Mg‐Y  N2  0  100.04  0.245 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  1.38  0.004 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  2.85  0.006 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  5.67  0.010 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  9.93  0.016 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  19.89  0.030 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  29.95  0.043 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  39.95  0.057 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  50.07  0.071 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  60.07  0.084 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  70.06  0.097 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  80.07  0.110 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  90.03  0.123 

TMA‐Mg‐Y  N2  30  100.01  0.137 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  1.36  0.020 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  2.59  0.033 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  4.85  0.058 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  9.68  0.109 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  19.44  0.208 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  29.98  0.310 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  40.08  0.402 

Page 254: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  253 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  50.15  0.488 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  60.16  0.570 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  70.10  0.646 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  80.07  0.720 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  90.05  0.790 

TMA‐Base‐NaY  CH4  0  100.07  0.857 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  1.33  0.006 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  2.80  0.010 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  4.90  0.015 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  9.90  0.028 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  19.86  0.053 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  29.99  0.078 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  39.96  0.103 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  50.12  0.127 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  60.14  0.150 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  70.02  0.173 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  80.12  0.196 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  90.10  0.217 

TMA‐Base‐NaY  N2  0  100.03  0.239 

TMAOH‐NaY  CH4  0  1.38  0.020 

TMAOH‐NaY  CH4  0  2.55  0.034 

TMAOH‐NaY  CH4  0  4.96  0.063 

TMAOH‐NaY  CH4  0  9.70  0.118 

TMAOH‐NaY  CH4  0  19.39  0.226 

TMAOH‐NaY  CH4  0  29.98  0.336 

TMAOH‐NaY  CH4  0  40.08  0.433 

TMAOH‐NaY  CH4  0  49.95  0.523 

TMAOH‐NaY  CH4  0  60.13  0.611 

TMAOH‐NaY  CH4  0  70.07  0.692 

TMAOH‐NaY  CH4  0  80.16  0.769 

TMAOH‐NaY  CH4  0  90.08  0.841 

TMAOH‐NaY  CH4  0  100.01  0.911 

TMAOH‐NaY  CH4  30  1.24  0.009 

TMAOH‐NaY  CH4  30  2.69  0.017 

TMAOH‐NaY  CH4  30  4.90  0.029 

TMAOH‐NaY  CH4  30  9.80  0.056 

TMAOH‐NaY  CH4  30  19.66  0.108 

TMAOH‐NaY  CH4  30  29.96  0.160 

TMAOH‐NaY  CH4  30  40.10  0.210 

TMAOH‐NaY  CH4  30  50.08  0.257 

TMAOH‐NaY  CH4  30  60.11  0.304 

TMAOH‐NaY  CH4  30  70.13  0.348 

TMAOH‐NaY  CH4  30  79.95  0.390 

Page 255: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  254 

TMAOH‐NaY  CH4  30  90.05  0.432 

TMAOH‐NaY  CH4  30  100.00  0.472 

TMAOH‐NaY  N2  0  1.34  0.005 

TMAOH‐NaY  N2  0  2.79  0.009 

TMAOH‐NaY  N2  0  4.88  0.014 

TMAOH‐NaY  N2  0  9.93  0.027 

TMAOH‐NaY  N2  0  19.86  0.052 

TMAOH‐NaY  N2  0  29.97  0.076 

TMAOH‐NaY  N2  0  39.93  0.099 

TMAOH‐NaY  N2  0  50.21  0.123 

TMAOH‐NaY  N2  0  60.11  0.145 

TMAOH‐NaY  N2  0  70.17  0.168 

TMAOH‐NaY  N2  0  80.21  0.190 

TMAOH‐NaY  N2  0  90.20  0.211 

TMAOH‐NaY  N2  0  100.10  0.233 

TMAOH‐NaY  N2  30  1.37  0.004 

TMAOH‐NaY  N2  30  2.84  0.006 

TMAOH‐NaY  N2  30  4.96  0.009 

TMAOH‐NaY  N2  30  9.94  0.015 

TMAOH‐NaY  N2  30  19.91  0.028 

TMAOH‐NaY  N2  30  29.97  0.041 

TMAOH‐NaY  N2  30  39.94  0.053 

TMAOH‐NaY  N2  30  50.08  0.066 

TMAOH‐NaY  N2  30  60.06  0.078 

TMAOH‐NaY  N2  30  70.07  0.090 

TMAOH‐NaY  N2  30  80.05  0.102 

TMAOH‐NaY  N2  30  90.04  0.113 

TMAOH‐NaY  N2  30  100.04  0.126 

TMAOH‐HY600  CH4  0  1.26  0.010 

TMAOH‐HY600  CH4  0  2.71  0.018 

TMAOH‐HY600  CH4  0  4.90  0.033 

TMAOH‐HY600  CH4  0  9.87  0.062 

TMAOH‐HY600  CH4  0  19.71  0.116 

TMAOH‐HY600  CH4  0  29.98  0.169 

TMAOH‐HY600  CH4  0  40.05  0.219 

TMAOH‐HY600  CH4  0  50.15  0.267 

TMAOH‐HY600  CH4  0  60.16  0.312 

TMAOH‐HY600  CH4  0  69.97  0.354 

TMAOH‐HY600  CH4  0  80.07  0.396 

TMAOH‐HY600  CH4  0  90.09  0.436 

TMAOH‐HY600  CH4  0  100.05  0.474 

TMAOH‐HY600  N2  0  1.38  0.004 

TMAOH‐HY600  N2  0  2.86  0.005 

Page 256: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  255 

TMAOH‐HY600  N2  0  5.68  0.009 

TMAOH‐HY600  N2  0  10.04  0.015 

TMAOH‐HY600  N2  0  19.89  0.027 

TMAOH‐HY600  N2  0  29.97  0.040 

TMAOH‐HY600  N2  0  40.04  0.052 

TMAOH‐HY600  N2  0  50.04  0.064 

TMAOH‐HY600  N2  0  60.07  0.076 

TMAOH‐HY600  N2  0  70.06  0.088 

TMAOH‐HY600  N2  0  80.07  0.100 

TMAOH‐HY600  N2  0  90.11  0.111 

TMAOH‐HY600  N2  0  100.04  0.123 

TMAOH‐HY400  CH4  0  1.37  0.016 

TMAOH‐HY400  CH4  0  2.63  0.027 

TMAOH‐HY400  CH4  0  4.89  0.047 

TMAOH‐HY400  CH4  0  9.72  0.089 

TMAOH‐HY400  CH4  0  19.55  0.169 

TMAOH‐HY400  CH4  0  30.10  0.250 

TMAOH‐HY400  CH4  0  39.95  0.322 

TMAOH‐HY400  CH4  0  50.13  0.391 

TMAOH‐HY400  CH4  0  60.07  0.455 

TMAOH‐HY400  CH4  0  70.13  0.516 

TMAOH‐HY400  CH4  0  80.13  0.573 

TMAOH‐HY400  CH4  0  89.91  0.627 

TMAOH‐HY400  CH4  0  100.08  0.680 

TMAOH‐HY400  N2  0  1.25  0.005 

TMAOH‐HY400  N2  0  2.82  0.008 

TMAOH‐HY400  N2  0  5.62  0.013 

TMAOH‐HY400  N2  0  10.00  0.021 

TMAOH‐HY400  N2  0  19.81  0.037 

TMAOH‐HY400  N2  0  29.98  0.054 

TMAOH‐HY400  N2  0  39.96  0.071 

TMAOH‐HY400  N2  0  50.08  0.087 

TMAOH‐HY400  N2  0  59.99  0.102 

TMAOH‐HY400  N2  0  70.07  0.117 

TMAOH‐HY400  N2  0  80.04  0.133 

TMAOH‐HY400  N2  0  90.04  0.148 

TMAOH‐HY400  N2  0  100.04  0.162 

TMAOH‐HY400  CH4  30  1.24  0.008 

TMAOH‐HY400  CH4  30  2.73  0.014 

TMAOH‐HY400  CH4  30  4.85  0.023 

TMAOH‐HY400  CH4  30  9.82  0.043 

TMAOH‐HY400  CH4  30  19.71  0.082 

TMAOH‐HY400  CH4  30  29.98  0.121 

Page 257: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  256 

TMAOH‐HY400  CH4  30  39.94  0.157 

TMAOH‐HY400  CH4  30  50.10  0.194 

TMAOH‐HY400  CH4  30  60.11  0.228 

TMAOH‐HY400  CH4  30  70.10  0.260 

TMAOH‐HY400  CH4  30  80.14  0.293 

TMAOH‐HY400  CH4  30  89.99  0.324 

TMAOH‐HY400  CH4  30  100.14  0.355 

TMAOH‐HY400  N2  30  1.34  0.004 

TMAOH‐HY400  N2  30  2.86  0.005 

TMAOH‐HY400  N2  30  5.69  0.007 

TMAOH‐HY400  N2  30  10.00  0.011 

TMAOH‐HY400  N2  30  19.91  0.020 

TMAOH‐HY400  N2  30  29.96  0.029 

TMAOH‐HY400  N2  30  39.95  0.038 

TMAOH‐HY400  N2  30  49.94  0.046 

TMAOH‐HY400  N2  30  60.14  0.055 

TMAOH‐HY400  N2  30  70.06  0.064 

TMAOH‐HY400  N2  30  80.00  0.072 

TMAOH‐HY400  N2  30  90.10  0.080 

TMAOH‐HY400  N2  30  100.11  0.088 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  1.23  0.045 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  2.48  0.082 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  4.85  0.146 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  9.55  0.255 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  20.16  0.454 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  29.69  0.601 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  39.75  0.737 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  50.03  0.861 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  59.97  0.970 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  70.13  1.073 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  79.90  1.165 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  90.12  1.255 

Carbon (Norit RB3)  CH4  0  100.02  1.339 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  1.39  0.010 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  2.64  0.018 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  4.87  0.030 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  9.73  0.058 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  19.59  0.110 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  29.97  0.162 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  40.00  0.210 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  50.00  0.255 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  60.03  0.298 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  70.03  0.340 

Page 258: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  257 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  79.95  0.379 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  90.05  0.417 

Carbon (Norit RB3)  N2  0  100.02  0.454 

Acid‐Carbon1  CH4  0  1.28  0.032 

Acid‐Carbon1  CH4  0  2.41  0.054 

Acid‐Carbon1  CH4  0  4.89  0.099 

Acid‐Carbon1  CH4  0  9.76  0.178 

Acid‐Carbon1  CH4  0  19.60  0.312 

Acid‐Carbon1  CH4  0  29.87  0.431 

Acid‐Carbon1  CH4  0  39.94  0.535 

Acid‐Carbon1  CH4  0  50.07  0.629 

Acid‐Carbon1  CH4  0  60.00  0.715 

Acid‐Carbon1  CH4  0  70.05  0.795 

Acid‐Carbon1  CH4  0  80.04  0.870 

Acid‐Carbon1  CH4  0  90.05  0.941 

Acid‐Carbon1  CH4  0  100.11  1.009 

Acid‐Carbon1  N2  0  1.27  0.008 

Acid‐Carbon1  N2  0  2.75  0.015 

Acid‐Carbon1  N2  0  4.94  0.024 

Acid‐Carbon1  N2  0  9.86  0.045 

Acid‐Carbon1  N2  0  19.80  0.086 

Acid‐Carbon1  N2  0  29.97  0.127 

Acid‐Carbon1  N2  0  39.96  0.164 

Acid‐Carbon1  N2  0  50.10  0.201 

Acid‐Carbon1  N2  0  60.08  0.236 

Acid‐Carbon1  N2  0  70.07  0.269 

Acid‐Carbon1  N2  0  80.07  0.301 

Acid‐Carbon1  N2  0  90.10  0.333 

Acid‐Carbon1  N2  0  100.07  0.364 

TMA‐Carbon1  CH4  0  1.29  0.026 

TMA‐Carbon1  CH4  0  2.43  0.045 

TMA‐Carbon1  CH4  0  4.91  0.082 

TMA‐Carbon1  CH4  0  9.76  0.147 

TMA‐Carbon1  CH4  0  19.58  0.261 

TMA‐Carbon1  CH4  0  30.08  0.364 

TMA‐Carbon1  CH4  0  39.88  0.450 

TMA‐Carbon1  CH4  0  49.98  0.531 

TMA‐Carbon1  CH4  0  60.07  0.606 

TMA‐Carbon1  CH4  0  70.07  0.676 

TMA‐Carbon1  CH4  0  79.96  0.740 

TMA‐Carbon1  CH4  0  90.08  0.803 

TMA‐Carbon1  CH4  0  100.03  0.862 

TMA‐Carbon1  N2  0  1.31  0.006 

Page 259: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  258 

TMA‐Carbon1  N2  0  2.75  0.011 

TMA‐Carbon1  N2  0  4.96  0.018 

TMA‐Carbon1  N2  0  9.88  0.035 

TMA‐Carbon1  N2  0  19.79  0.067 

TMA‐Carbon1  N2  0  29.97  0.098 

TMA‐Carbon1  N2  0  40.06  0.128 

TMA‐Carbon1  N2  0  50.08  0.156 

TMA‐Carbon1  N2  0  60.11  0.183 

TMA‐Carbon1  N2  0  70.05  0.210 

TMA‐Carbon1  N2  0  80.07  0.235 

TMA‐Carbon1  N2  0  90.05  0.260 

TMA‐Carbon1  N2  0  100.03  0.285 

TMA‐Carbon2  CH4  0  1.21  0.011 

TMA‐Carbon2  CH4  0  2.67  0.021 

TMA‐Carbon2  CH4  0  4.92  0.035 

TMA‐Carbon2  CH4  0  9.86  0.062 

TMA‐Carbon2  CH4  0  19.85  0.108 

TMA‐Carbon2  CH4  0  29.92  0.146 

TMA‐Carbon2  CH4  0  40.12  0.181 

TMA‐Carbon2  CH4  0  50.20  0.211 

TMA‐Carbon2  CH4  0  60.07  0.239 

TMA‐Carbon2  CH4  0  70.17  0.265 

TMA‐Carbon2  CH4  0  80.20  0.290 

TMA‐Carbon2  CH4  0  90.09  0.312 

TMA‐Carbon2  CH4  0  100.13  0.334 

TMA‐Carbon2  N2  0  1.36  0.004 

TMA‐Carbon2  N2  0  2.83  0.006 

TMA‐Carbon2  N2  0  5.68  0.010 

TMA‐Carbon2  N2  0  10.00  0.015 

TMA‐Carbon2  N2  0  19.88  0.028 

TMA‐Carbon2  N2  0  29.96  0.039 

TMA‐Carbon2  N2  0  39.95  0.051 

TMA‐Carbon2  N2  0  49.94  0.062 

TMA‐Carbon2  N2  0  60.06  0.072 

TMA‐Carbon2  N2  0  70.03  0.082 

TMA‐Carbon2  N2  0  80.04  0.092 

TMA‐Carbon2  N2  0  90.05  0.102 

TMA‐Carbon2  N2  0  100.01  0.111 

TMA‐Carbon3  CH4  0  1.35  0.047 

TMA‐Carbon3  CH4  0  2.65  0.085 

TMA‐Carbon3  CH4  0  4.93  0.145 

TMA‐Carbon3  CH4  0  9.62  0.251 

TMA‐Carbon3  CH4  0  19.44  0.433 

Page 260: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  259 

TMA‐Carbon3  CH4  0  29.82  0.592 

TMA‐Carbon3  CH4  0  39.73  0.724 

TMA‐Carbon3  CH4  0  50.05  0.847 

TMA‐Carbon3  CH4  0  60.09  0.956 

TMA‐Carbon3  CH4  0  70.06  1.055 

TMA‐Carbon3  CH4  0  80.06  1.148 

TMA‐Carbon3  CH4  0  89.95  1.235 

TMA‐Carbon3  CH4  0  100.09  1.319 

TMA‐Carbon3  N2  0  1.27  0.009 

TMA‐Carbon3  N2  0  2.71  0.017 

TMA‐Carbon3  N2  0  4.96  0.030 

TMA‐Carbon3  N2  0  9.83  0.057 

TMA‐Carbon3  N2  0  19.76  0.108 

TMA‐Carbon3  N2  0  30.04  0.158 

TMA‐Carbon3  N2  0  39.94  0.204 

TMA‐Carbon3  N2  0  50.06  0.248 

TMA‐Carbon3  N2  0  60.07  0.290 

TMA‐Carbon3  N2  0  70.13  0.331 

TMA‐Carbon3  N2  0  80.05  0.370 

TMA‐Carbon3  N2  0  90.04  0.407 

TMA‐Carbon3  N2  0  100.03  0.444 

TMA‐Carbon4  CH4  0  1.34  0.038 

TMA‐Carbon4  CH4  0  2.65  0.066 

TMA‐Carbon4  CH4  0  4.79  0.110 

TMA‐Carbon4  CH4  0  10.06  0.207 

TMA‐Carbon4  CH4  0  19.82  0.358 

TMA‐Carbon4  CH4  0  29.82  0.489 

TMA‐Carbon4  CH4  0  39.94  0.606 

TMA‐Carbon4  CH4  0  49.98  0.711 

TMA‐Carbon4  CH4  0  60.08  0.808 

TMA‐Carbon4  CH4  0  69.97  0.896 

TMA‐Carbon4  CH4  0  80.10  0.981 

TMA‐Carbon4  CH4  0  90.11  1.061 

TMA‐Carbon4  CH4  0  100.15  1.136 

TMA‐Carbon4  N2  0  1.24  0.007 

TMA‐Carbon4  N2  0  2.71  0.013 

TMA‐Carbon4  N2  0  4.84  0.023 

TMA‐Carbon4  N2  0  9.78  0.045 

TMA‐Carbon4  N2  0  19.75  0.088 

TMA‐Carbon4  N2  0  30.08  0.130 

TMA‐Carbon4  N2  0  40.03  0.169 

TMA‐Carbon4  N2  0  50.08  0.206 

TMA‐Carbon4  N2  0  60.05  0.242 

Page 261: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  260 

TMA‐Carbon4  N2  0  70.03  0.277 

TMA‐Carbon4  N2  0  80.05  0.311 

TMA‐Carbon4  N2  0  90.00  0.343 

TMA‐Carbon4  N2  0  100.04  0.376 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  1.32  0.040 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  2.49  0.067 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  4.82  0.118 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  9.74  0.211 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  19.67  0.369 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  30.12  0.510 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  39.83  0.626 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  50.13  0.737 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  60.17  0.837 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  70.15  0.929 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  79.94  1.015 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  90.18  1.101 

TMA‐AcidBaseCarbon  CH4  0  100.21  1.179 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  1.30  0.011 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  2.78  0.018 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  4.89  0.028 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  9.88  0.052 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  19.83  0.099 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  29.97  0.143 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  39.95  0.184 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  50.13  0.225 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  60.15  0.264 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  70.18  0.301 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  80.10  0.337 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  90.10  0.372 

TMA‐AcidBaseCarbon  N2  0  100.14  0.406 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  1.22  0.047 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  2.57  0.087 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  5.22  0.157 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  9.95  0.263 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  19.61  0.434 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  29.87  0.581 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  39.81  0.702 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  49.96  0.810 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  60.09  0.908 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  70.12  0.995 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  80.09  1.075 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  90.13  1.151 

Carbon (Norit R2030)  CH4  0  100.17  1.221 

Page 262: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  261 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  1.39  0.010 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  2.59  0.017 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  4.87  0.029 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  9.69  0.055 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  19.49  0.104 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  30.00  0.153 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  40.12  0.196 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  50.01  0.237 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  60.07  0.276 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  70.12  0.314 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  80.04  0.349 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  90.10  0.383 

Carbon (Norit R2030)  N2  0  100.11  0.416 

Base‐Carbon  CH4  0  1.31  0.050 

Base‐Carbon  CH4  0  2.63  0.089 

Base‐Carbon  CH4  0  4.83  0.147 

Base‐Carbon  CH4  0  9.60  0.253 

Base‐Carbon  CH4  0  19.59  0.427 

Base‐Carbon  CH4  0  29.77  0.568 

Base‐Carbon  CH4  0  39.88  0.687 

Base‐Carbon  CH4  0  49.88  0.790 

Base‐Carbon  CH4  0  60.03  0.883 

Base‐Carbon  CH4  0  70.09  0.968 

Base‐Carbon  CH4  0  80.09  1.046 

Base‐Carbon  CH4  0  90.14  1.118 

Base‐Carbon  CH4  0  99.92  1.184 

Base‐Carbon  N2  0  1.23  0.010 

Base‐Carbon  N2  0  2.70  0.019 

Base‐Carbon  N2  0  4.91  0.032 

Base‐Carbon  N2  0  9.83  0.059 

Base‐Carbon  N2  0  19.74  0.110 

Base‐Carbon  N2  0  29.97  0.159 

Base‐Carbon  N2  0  40.03  0.203 

Base‐Carbon  N2  0  50.07  0.244 

Base‐Carbon  N2  0  60.15  0.284 

Base‐Carbon  N2  0  70.13  0.321 

Base‐Carbon  N2  0  80.08  0.357 

Base‐Carbon  N2  0  90.14  0.391 

Base‐Carbon  N2  0  100.11  0.424 

APS‐Carbon  CH4  0  1.30  0.024 

APS‐Carbon  CH4  0  2.47  0.041 

APS‐Carbon  CH4  0  4.91  0.076 

APS‐Carbon  CH4  0  9.76  0.136 

Page 263: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  262 

APS‐Carbon  CH4  0  19.65  0.241 

APS‐Carbon  CH4  0  30.05  0.333 

APS‐Carbon  CH4  0  39.98  0.410 

APS‐Carbon  CH4  0  49.97  0.479 

APS‐Carbon  CH4  0  59.93  0.543 

APS‐Carbon  CH4  0  70.10  0.603 

APS‐Carbon  CH4  0  79.95  0.657 

APS‐Carbon  CH4  0  90.17  0.709 

APS‐Carbon  CH4  0  100.06  0.759 

APS‐Carbon  N2  0  1.32  0.006 

APS‐Carbon  N2  0  2.80  0.011 

APS‐Carbon  N2  0  4.96  0.017 

APS‐Carbon  N2  0  9.88  0.033 

APS‐Carbon  N2  0  19.82  0.062 

APS‐Carbon  N2  0  29.94  0.090 

APS‐Carbon  N2  0  39.93  0.117 

APS‐Carbon  N2  0  50.09  0.143 

APS‐Carbon  N2  0  60.07  0.168 

APS‐Carbon  N2  0  70.10  0.192 

APS‐Carbon  N2  0  80.03  0.215 

APS‐Carbon  N2  0  90.09  0.237 

APS‐Carbon  N2  0  99.99  0.261 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  1.28  0.033 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  2.43  0.057 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  4.87  0.102 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  9.81  0.179 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  19.83  0.303 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  29.95  0.405 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  40.01  0.490 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  50.00  0.567 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  60.19  0.637 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  70.09  0.698 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  80.07  0.756 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  90.18  0.810 

TMA‐APS‐Carbon  CH4  0  99.84  0.864 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  1.36  0.007 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  2.77  0.013 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  4.97  0.023 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  9.89  0.042 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  19.82  0.079 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  30.03  0.114 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  39.93  0.147 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  50.06  0.177 

Page 264: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  263 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  60.05  0.206 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  70.04  0.234 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  80.04  0.261 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  90.06  0.287 

TMA‐APS‐Carbon  N2  0  99.99  0.315 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  1.38  0.030 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  2.63  0.050 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  4.87  0.084 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  9.74  0.155 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  19.65  0.286 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  30.10  0.411 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  40.05  0.520 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  49.97  0.620 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  60.11  0.715 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  69.94  0.800 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  80.08  0.883 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  90.09  0.958 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  0  100.04  1.029 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  1.28  0.014 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  2.75  0.025 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  4.90  0.039 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  9.86  0.072 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  19.78  0.134 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  30.10  0.196 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  40.14  0.252 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  50.12  0.305 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  60.01  0.356 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  70.13  0.405 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  80.07  0.450 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  90.08  0.494 

Carbon‐E‐TMAY1  CH4  30  100.11  0.537 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  1.34  0.009 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  2.80  0.012 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  5.66  0.020 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  10.00  0.033 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  19.85  0.059 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  29.95  0.085 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  40.14  0.111 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  49.95  0.136 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  60.05  0.160 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  70.05  0.183 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  80.05  0.206 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  90.04  0.228 

Page 265: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  264 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  0  100.02  0.250 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  1.38  0.006 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  2.90  0.008 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  5.72  0.011 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  9.94  0.017 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  19.88  0.031 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  29.99  0.044 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  39.92  0.057 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  50.09  0.070 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  60.07  0.083 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  70.10  0.095 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  80.01  0.107 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  90.04  0.120 

Carbon‐E‐TMAY1  N2  30  100.04  0.131 

 

E7 – Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 4 

Table E7. Data table for all experimental isotherm data presented in Chapter 4 

Adsorbent  Gas  Temperature (°C)  Pressure (bar)  Quantity Adsorbed (mol/kg) 

NaY  N2  0  0.03  0.000 

NaY  N2  0  1.50  0.098 

NaY  N2  0  2.96  0.198 

NaY  N2  0  4.59  0.325 

NaY  N2  0  6.05  0.422 

NaY  N2  0  7.69  0.518 

NaY  N2  0  9.15  0.607 

NaY  N2  0  10.52  0.703 

NaY  N2  0  12.05  0.810 

NaY  N2  0  13.54  0.896 

NaY  N2  0  15.11  0.993 

NaY  N2  0  16.70  1.066 

NaY  N2  0  18.23  1.153 

NaY  N2  0  19.79  1.270 

NaY  N2  0  21.24  1.356 

NaY  N2  0  22.76  1.451 

NaY  N2  0  24.36  1.519 

NaY  N2  0  25.89  1.597 

NaY  N2  0  27.50  1.668 

NaY  N2  0  28.94  1.752 

NaY  N2  0  30.52  1.846 

NaY  N2  0  32.04  1.933 

NaY  N2  0  33.63  1.980 

Page 266: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  265 

NaY  N2  0  35.06  2.022 

NaY  N2  15  0.04  0.006 

NaY  N2  15  1.53  0.096 

NaY  N2  15  3.10  0.158 

NaY  N2  15  4.64  0.229 

NaY  N2  15  6.28  0.294 

NaY  N2  15  7.66  0.369 

NaY  N2  15  9.12  0.426 

NaY  N2  15  10.59  0.481 

NaY  N2  15  12.18  0.540 

NaY  N2  15  13.66  0.602 

NaY  N2  15  15.14  0.691 

NaY  N2  15  16.73  0.756 

NaY  N2  15  18.25  0.808 

NaY  N2  15  19.77  0.883 

NaY  N2  15  21.32  0.979 

NaY  N2  15  22.88  1.022 

NaY  N2  15  24.41  1.076 

NaY  N2  15  25.87  1.145 

NaY  N2  15  27.43  1.219 

NaY  N2  15  28.87  1.268 

NaY  N2  15  30.36  1.304 

NaY  N2  15  31.86  1.331 

NaY  N2  15  33.40  1.391 

NaY  N2  15  34.86  1.472 

NaY  N2  15  36.39  1.508 

NaY  N2  30  1.68  0.057 

NaY  N2  30  3.21  0.108 

NaY  N2  30  4.71  0.145 

NaY  N2  30  6.30  0.209 

NaY  N2  30  7.77  0.263 

NaY  N2  30  9.30  0.319 

NaY  N2  30  10.77  0.381 

NaY  N2  30  12.39  0.416 

NaY  N2  30  14.03  0.468 

NaY  N2  30  15.63  0.528 

NaY  N2  30  17.29  0.545 

NaY  N2  30  18.87  0.601 

NaY  N2  30  20.46  0.656 

NaY  N2  30  22.08  0.670 

NaY  N2  30  23.67  0.720 

NaY  N2  30  25.18  0.734 

NaY  N2  30  26.69  0.740 

Page 267: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  266 

NaY  N2  30  28.24  0.787 

NaY  N2  30  29.74  0.791 

NaY  N2  30  31.29  0.800 

NaY  N2  30  32.76  0.864 

NaY  N2  30  34.38  0.874 

NaY  N2  30  35.88  0.892 

NaY  N2  30  37.48  0.906 

NaY  N2  30  39.07  0.929 

NaY  N2  30  40.61  0.970 

NaY  N2  30  42.15  0.981 

NaY  N2  30  43.71  0.993 

C‐R2030  N2  0  0.03  0.002 

C‐R2030  N2  0  1.11  0.465 

C‐R2030  N2  0  2.32  0.837 

C‐R2030  N2  0  3.48  1.108 

C‐R2030  N2  0  4.82  1.378 

C‐R2030  N2  0  6.08  1.603 

C‐R2030  N2  0  7.29  1.797 

C‐R2030  N2  0  8.72  1.996 

C‐R2030  N2  0  10.03  2.174 

C‐R2030  N2  0  11.49  2.339 

C‐R2030  N2  0  12.86  2.490 

C‐R2030  N2  0  14.22  2.631 

C‐R2030  N2  0  15.70  2.773 

C‐R2030  N2  0  17.08  2.896 

C‐R2030  N2  0  18.54  3.022 

C‐R2030  N2  0  20.02  3.140 

C‐R2030  N2  0  21.42  3.243 

C‐R2030  N2  0  22.93  3.358 

C‐R2030  N2  0  24.45  3.462 

C‐R2030  N2  0  25.98  3.564 

C‐R2030  N2  0  27.50  3.659 

C‐R2030  N2  0  29.19  3.777 

C‐R2030  N2  0  30.75  3.872 

C‐R2030  N2  0  32.17  3.953 

C‐R2030  N2  0  33.71  4.034 

C‐R2030  N2  0  35.21  4.094 

C‐R2030  N2  15  1.20  0.367 

C‐R2030  N2  15  2.45  0.668 

C‐R2030  N2  15  3.65  0.899 

C‐R2030  N2  15  4.87  1.113 

C‐R2030  N2  15  6.34  1.332 

C‐R2030  N2  15  7.62  1.507 

Page 268: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  267 

C‐R2030  N2  15  8.89  1.656 

C‐R2030  N2  15  10.17  1.799 

C‐R2030  N2  15  11.54  1.952 

C‐R2030  N2  15  12.99  2.089 

C‐R2030  N2  15  14.46  2.225 

C‐R2030  N2  15  15.97  2.342 

C‐R2030  N2  15  17.38  2.446 

C‐R2030  N2  15  18.88  2.545 

C‐R2030  N2  15  20.40  2.646 

C‐R2030  N2  15  21.92  2.736 

C‐R2030  N2  15  23.48  2.824 

C‐R2030  N2  15  25.02  2.915 

C‐R2030  N2  15  26.53  2.982 

C‐R2030  N2  15  28.09  3.059 

C‐R2030  N2  15  29.57  3.137 

C‐R2030  N2  15  30.86  3.185 

C‐R2030  N2  15  32.42  3.262 

C‐R2030  N2  15  33.87  3.320 

C‐R2030  N2  15  35.34  3.368 

C‐R2030  N2  30  1.24  0.266 

C‐R2030  N2  30  2.64  0.517 

C‐R2030  N2  30  4.05  0.746 

C‐R2030  N2  30  5.37  0.915 

C‐R2030  N2  30  6.70  1.083 

C‐R2030  N2  30  8.00  1.218 

C‐R2030  N2  30  9.62  1.378 

C‐R2030  N2  30  10.95  1.512 

C‐R2030  N2  30  12.44  1.622 

C‐R2030  N2  30  13.92  1.730 

C‐R2030  N2  30  15.46  1.835 

C‐R2030  N2  30  16.99  1.938 

C‐R2030  N2  30  18.55  2.026 

C‐R2030  N2  30  20.06  2.123 

C‐R2030  N2  30  21.61  2.197 

C‐R2030  N2  30  23.05  2.269 

C‐R2030  N2  30  24.56  2.337 

C‐R2030  N2  30  26.13  2.414 

C‐R2030  N2  30  27.71  2.479 

C‐R2030  N2  30  29.14  2.534 

C‐R2030  N2  30  30.57  2.584 

C‐R2030  N2  30  32.09  2.640 

C‐R2030  N2  30  32.10  2.633 

C‐R2030  N2  30  32.09  2.638 

Page 269: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  268 

C‐R2030  N2  30  33.57  2.685 

C‐R2030  N2  30  35.07  2.715 

CEZ  N2  0  1.21  0.556 

CEZ  N2  0  2.38  1.010 

CEZ  N2  0  3.61  1.413 

CEZ  N2  0  4.89  1.733 

CEZ  N2  0  6.14  2.053 

CEZ  N2  0  7.40  2.304 

CEZ  N2  0  8.68  2.551 

CEZ  N2  0  9.95  2.765 

CEZ  N2  0  11.52  3.011 

CEZ  N2  0  12.96  3.203 

CEZ  N2  0  14.36  3.387 

CEZ  N2  0  15.84  3.548 

CEZ  N2  0  17.26  3.728 

CEZ  N2  0  18.78  3.876 

CEZ  N2  0  20.30  4.017 

CEZ  N2  0  21.84  4.151 

CEZ  N2  0  23.31  4.296 

CEZ  N2  0  24.77  4.373 

CEZ  N2  0  26.27  4.498 

CEZ  N2  0  27.75  4.620 

CEZ  N2  0  29.25  4.709 

CEZ  N2  0  30.80  4.779 

CEZ  N2  0  32.29  4.901 

CEZ  N2  0  33.76  5.004 

CEZ  N2  0  35.26  5.086 

CEZ  N2  0  36.81  5.183 

CEZ  N2  0  38.30  5.276 

CEZ  N2  0  39.76  5.328 

CEZ  N2  0  41.29  5.385 

CEZ  N2  0  42.87  5.430 

CEZ  N2  0  43.74  5.342 

CEZ  N2  0  45.23  5.456 

CEZ  N2  0  46.10  5.364 

CEZ  N2  0  47.52  5.414 

CEZ  N2  0  48.32  5.351 

CEZ  N2  0  49.84  5.446 

CEZ  N2  0  50.63  5.479 

CEZ  N2  0  52.12  5.536 

CEZ  N2  0  52.84  5.580 

CEZ  N2  0  54.36  5.574 

CEZ  N2  0  55.08  5.599 

Page 270: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  269 

CEZ  N2  0  56.56  5.662 

CEZ  N2  0  57.33  5.645 

CEZ  N2  0  58.84  5.675 

CEZ  N2  0  59.63  5.634 

CEZ  N2  0  60.94  5.711 

CEZ  N2  0  61.65  5.659 

CEZ  N2  0  62.73  5.637 

CEZ  N2  0  63.24  5.623 

CEZ  N2  0  64.18  5.594 

CEZ  N2  15  1.27  0.426 

CEZ  N2  15  2.54  0.783 

CEZ  N2  15  3.80  1.111 

CEZ  N2  15  5.20  1.421 

CEZ  N2  15  6.56  1.680 

CEZ  N2  15  7.90  1.903 

CEZ  N2  15  9.22  2.107 

CEZ  N2  15  10.54  2.299 

CEZ  N2  15  12.06  2.485 

CEZ  N2  15  13.56  2.630 

CEZ  N2  15  14.96  2.776 

CEZ  N2  15  16.38  2.914 

CEZ  N2  15  17.90  3.048 

CEZ  N2  15  19.39  3.149 

CEZ  N2  15  20.90  3.247 

CEZ  N2  15  22.41  3.347 

CEZ  N2  15  23.94  3.445 

CEZ  N2  15  25.44  3.544 

CEZ  N2  15  26.86  3.614 

CEZ  N2  15  28.32  3.680 

CEZ  N2  15  29.74  3.790 

CEZ  N2  15  31.19  3.841 

CEZ  N2  15  32.78  3.903 

CEZ  N2  15  34.18  3.985 

CEZ  N2  15  35.70  4.042 

CEZ  N2  15  37.17  4.079 

CEZ  N2  15  38.75  4.060 

CEZ  N2  15  40.26  4.122 

CEZ  N2  15  41.77  4.098 

CEZ  N2  15  43.34  4.130 

CEZ  N2  15  44.19  4.085 

CEZ  N2  15  45.74  4.118 

CEZ  N2  15  46.50  4.141 

CEZ  N2  15  47.90  4.219 

Page 271: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  270 

CEZ  N2  15  48.62  4.216 

CEZ  N2  15  50.13  4.308 

CEZ  N2  15  50.95  4.257 

CEZ  N2  15  52.43  4.341 

CEZ  N2  15  53.20  4.343 

CEZ  N2  15  54.74  4.320 

CEZ  N2  15  55.51  4.268 

CEZ  N2  15  57.04  4.269 

CEZ  N2  15  57.82  4.232 

CEZ  N2  15  59.13  4.236 

CEZ  N2  15  59.80  4.186 

CEZ  N2  15  61.18  4.163 

CEZ  N2  15  61.91  4.067 

CEZ  N2  15  62.81  4.036 

CEZ  N2  15  63.24  3.985 

CEZ  N2  15  63.77  3.938 

CEZ  N2  15  64.03  3.845 

CEZ  N2  30  1.35  0.328 

CEZ  N2  30  2.69  0.606 

CEZ  N2  30  4.16  0.890 

CEZ  N2  30  5.50  1.113 

CEZ  N2  30  6.80  1.305 

CEZ  N2  30  8.10  1.495 

CEZ  N2  30  9.39  1.641 

CEZ  N2  30  10.78  1.803 

CEZ  N2  30  12.27  1.950 

CEZ  N2  30  13.79  2.093 

CEZ  N2  30  15.30  2.196 

CEZ  N2  30  16.82  2.331 

CEZ  N2  30  18.25  2.432 

CEZ  N2  30  19.73  2.527 

CEZ  N2  30  21.25  2.615 

CEZ  N2  30  22.74  2.710 

CEZ  N2  30  24.28  2.792 

CEZ  N2  30  25.84  2.869 

CEZ  N2  30  27.27  2.956 

CEZ  N2  30  28.84  3.027 

CEZ  N2  30  30.30  3.075 

CEZ  N2  30  31.86  3.129 

CEZ  N2  30  33.41  3.144 

CEZ  N2  30  34.95  3.212 

CEZ  N2  30  36.54  3.245 

CEZ  N2  30  38.12  3.296 

Page 272: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  271 

CEZ  N2  30  39.73  3.316 

CEZ  N2  30  41.32  3.347 

CEZ  N2  30  42.79  3.345 

CEZ  N2  30  44.31  3.373 

CEZ  N2  30  45.13  3.317 

CEZ  N2  30  46.70  3.358 

CEZ  N2  30  47.53  3.320 

CEZ  N2  30  49.01  3.280 

CEZ  N2  30  49.69  3.314 

CEZ  N2  30  51.26  3.279 

CEZ  N2  30  52.04  3.230 

CEZ  N2  30  53.57  3.268 

CEZ  N2  30  54.35  3.240 

CEZ  N2  30  55.95  3.182 

CEZ  N2  30  56.72  3.147 

CEZ  N2  30  58.09  3.127 

CEZ  N2  30  58.81  3.038 

CEZ  N2  30  60.24  2.999 

CEZ  N2  30  60.93  2.992 

CEZ  N2  30  62.13  2.921 

CEZ  N2  30  62.72  2.838 

CEZ  N2  30  63.22  2.828 

CEZ  N2  30  63.81  2.736 

CEZ  N2  30  64.08  2.635 

NaY  CH4  0  1.11  0.664 

NaY  CH4  0  2.17  1.251 

NaY  CH4  0  3.37  1.805 

NaY  CH4  0  4.63  2.260 

NaY  CH4  0  5.97  2.662 

NaY  CH4  0  7.26  2.963 

NaY  CH4  0  8.79  3.263 

NaY  CH4  0  10.15  3.502 

NaY  CH4  0  11.65  3.748 

NaY  CH4  0  13.16  3.960 

NaY  CH4  0  14.59  4.130 

NaY  CH4  0  16.09  4.339 

NaY  CH4  0  17.51  4.507 

NaY  CH4  0  18.94  4.643 

NaY  CH4  0  20.50  4.779 

NaY  CH4  0  22.06  4.933 

NaY  CH4  0  23.51  5.083 

NaY  CH4  0  24.92  5.239 

NaY  CH4  0  26.35  5.334 

Page 273: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  272 

NaY  CH4  0  27.80  5.461 

NaY  CH4  0  29.33  5.587 

NaY  CH4  0  30.70  5.696 

NaY  CH4  0  31.81  5.776 

NaY  CH4  0  32.77  5.872 

NaY  CH4  0  33.77  5.963 

NaY  CH4  0  34.65  6.001 

NaY  CH4  15  1.33  0.497 

NaY  CH4  15  2.54  0.905 

NaY  CH4  15  3.83  1.285 

NaY  CH4  15  5.21  1.636 

NaY  CH4  15  6.53  1.912 

NaY  CH4  15  7.91  2.160 

NaY  CH4  15  9.48  2.395 

NaY  CH4  15  10.86  2.593 

NaY  CH4  15  12.40  2.771 

NaY  CH4  15  13.96  2.948 

NaY  CH4  15  15.49  3.101 

NaY  CH4  15  16.93  3.248 

NaY  CH4  15  18.37  3.367 

NaY  CH4  15  19.96  3.479 

NaY  CH4  15  21.43  3.598 

NaY  CH4  15  22.99  3.719 

NaY  CH4  15  24.53  3.814 

NaY  CH4  15  26.11  3.908 

NaY  CH4  15  27.58  4.004 

NaY  CH4  15  29.14  4.103 

NaY  CH4  15  30.67  4.210 

NaY  CH4  15  31.86  4.281 

NaY  CH4  15  32.99  4.347 

NaY  CH4  15  33.95  4.382 

NaY  CH4  15  34.61  4.391 

NaY  CH4  30  1.38  0.259 

NaY  CH4  30  2.90  0.515 

NaY  CH4  30  4.43  0.708 

NaY  CH4  30  5.91  0.872 

NaY  CH4  30  7.30  1.012 

NaY  CH4  30  8.71  1.136 

NaY  CH4  30  10.04  1.246 

NaY  CH4  30  11.60  1.363 

NaY  CH4  30  13.12  1.487 

NaY  CH4  30  14.59  1.566 

NaY  CH4  30  16.07  1.660 

Page 274: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  273 

NaY  CH4  30  17.66  1.743 

NaY  CH4  30  19.24  1.855 

NaY  CH4  30  20.79  1.944 

NaY  CH4  30  22.27  2.014 

NaY  CH4  30  23.85  2.099 

NaY  CH4  30  25.41  2.175 

NaY  CH4  30  27.03  2.243 

NaY  CH4  30  28.60  2.318 

NaY  CH4  30  30.04  2.378 

NaY  CH4  30  31.45  2.444 

NaY  CH4  30  32.71  2.432 

NaY  CH4  30  33.74  2.439 

NaY  CH4  30  34.57  2.446 

C‐R2030  CH4  0  0.65  0.839 

C‐R2030  CH4  0  1.48  1.440 

C‐R2030  CH4  0  2.45  1.917 

C‐R2030  CH4  0  3.54  2.316 

C‐R2030  CH4  0  4.79  2.683 

C‐R2030  CH4  0  6.17  3.002 

C‐R2030  CH4  0  7.60  3.293 

C‐R2030  CH4  0  8.89  3.492 

C‐R2030  CH4  0  10.19  3.692 

C‐R2030  CH4  0  11.62  3.867 

C‐R2030  CH4  0  12.97  4.040 

C‐R2030  CH4  0  14.44  4.197 

C‐R2030  CH4  0  15.96  4.345 

C‐R2030  CH4  0  17.48  4.489 

C‐R2030  CH4  0  18.91  4.600 

C‐R2030  CH4  0  20.43  4.734 

C‐R2030  CH4  0  21.97  4.853 

C‐R2030  CH4  0  23.40  4.955 

C‐R2030  CH4  0  24.82  5.049 

C‐R2030  CH4  0  26.39  5.158 

C‐R2030  CH4  0  27.83  5.253 

C‐R2030  CH4  0  29.36  5.340 

C‐R2030  CH4  0  30.65  5.421 

C‐R2030  CH4  0  31.81  5.473 

C‐R2030  CH4  0  32.95  5.527 

C‐R2030  CH4  0  33.95  5.569 

C‐R2030  CH4  0  34.67  5.577 

C‐R2030  CH4  15  0.04  0.001 

C‐R2030  CH4  15  0.75  0.735 

C‐R2030  CH4  15  1.75  1.298 

Page 275: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  274 

C‐R2030  CH4  15  2.77  1.700 

C‐R2030  CH4  15  3.92  2.041 

C‐R2030  CH4  15  5.09  2.339 

C‐R2030  CH4  15  6.30  2.577 

C‐R2030  CH4  15  7.55  2.802 

C‐R2030  CH4  15  8.84  3.005 

C‐R2030  CH4  15  10.07  3.166 

C‐R2030  CH4  15  11.46  3.334 

C‐R2030  CH4  15  12.95  3.505 

C‐R2030  CH4  15  14.36  3.640 

C‐R2030  CH4  15  15.87  3.784 

C‐R2030  CH4  15  17.41  3.912 

C‐R2030  CH4  15  18.75  4.019 

C‐R2030  CH4  15  20.25  4.131 

C‐R2030  CH4  15  21.68  4.219 

C‐R2030  CH4  15  23.10  4.322 

C‐R2030  CH4  15  24.68  4.400 

C‐R2030  CH4  15  26.20  4.480 

C‐R2030  CH4  15  27.65  4.558 

C‐R2030  CH4  15  29.10  4.617 

C‐R2030  CH4  15  30.40  4.673 

C‐R2030  CH4  15  31.51  4.734 

C‐R2030  CH4  15  32.67  4.759 

C‐R2030  CH4  15  33.66  4.788 

C‐R2030  CH4  15  34.20  4.788 

C‐R2030  CH4  30  0.87  0.632 

C‐R2030  CH4  30  1.91  1.100 

C‐R2030  CH4  30  3.00  1.438 

C‐R2030  CH4  30  4.25  1.775 

C‐R2030  CH4  30  5.52  2.045 

C‐R2030  CH4  30  6.89  2.283 

C‐R2030  CH4  30  8.23  2.484 

C‐R2030  CH4  30  9.56  2.659 

C‐R2030  CH4  30  10.89  2.812 

C‐R2030  CH4  30  12.32  2.972 

C‐R2030  CH4  30  13.84  3.114 

C‐R2030  CH4  30  15.41  3.235 

C‐R2030  CH4  30  16.94  3.329 

C‐R2030  CH4  30  18.39  3.437 

C‐R2030  CH4  30  19.81  3.545 

C‐R2030  CH4  30  21.40  3.618 

C‐R2030  CH4  30  22.97  3.719 

C‐R2030  CH4  30  24.53  3.799 

Page 276: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  275 

C‐R2030  CH4  30  26.11  3.866 

C‐R2030  CH4  30  27.69  3.923 

C‐R2030  CH4  30  29.17  4.009 

C‐R2030  CH4  30  30.50  4.026 

C‐R2030  CH4  30  31.58  4.052 

C‐R2030  CH4  30  32.58  4.108 

C‐R2030  CH4  30  33.57  4.100 

CEZ  CH4  0  0.04  0.004 

CEZ  CH4  0  0.95  0.892 

CEZ  CH4  0  1.92  1.615 

CEZ  CH4  0  2.97  2.203 

CEZ  CH4  0  4.23  2.742 

CEZ  CH4  0  5.42  3.143 

CEZ  CH4  0  6.70  3.466 

CEZ  CH4  0  8.05  3.762 

CEZ  CH4  0  9.61  4.040 

CEZ  CH4  0  10.97  4.251 

CEZ  CH4  0  12.48  4.440 

CEZ  CH4  0  13.89  4.613 

CEZ  CH4  0  15.32  4.763 

CEZ  CH4  0  16.80  4.919 

CEZ  CH4  0  18.35  5.071 

CEZ  CH4  0  19.91  5.209 

CEZ  CH4  0  21.33  5.334 

CEZ  CH4  0  22.87  5.458 

CEZ  CH4  0  24.41  5.592 

CEZ  CH4  0  25.99  5.704 

CEZ  CH4  0  27.58  5.764 

CEZ  CH4  0  29.00  5.918 

CEZ  CH4  0  30.27  5.987 

CEZ  CH4  0  31.53  6.026 

CEZ  CH4  0  32.55  6.091 

CEZ  CH4  15  0.04  0.004 

CEZ  CH4  15  1.14  0.755 

CEZ  CH4  15  2.29  1.374 

CEZ  CH4  15  3.58  1.917 

CEZ  CH4  15  4.85  2.332 

CEZ  CH4  15  6.08  2.699 

CEZ  CH4  15  7.34  2.984 

CEZ  CH4  15  8.57  3.237 

CEZ  CH4  15  10.14  3.497 

CEZ  CH4  15  11.54  3.693 

CEZ  CH4  15  13.07  3.888 

Page 277: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  276 

CEZ  CH4  15  14.59  4.047 

CEZ  CH4  15  16.11  4.192 

CEZ  CH4  15  17.53  4.337 

CEZ  CH4  15  19.04  4.436 

CEZ  CH4  15  20.51  4.518 

CEZ  CH4  15  22.09  4.637 

CEZ  CH4  15  23.67  4.759 

CEZ  CH4  15  25.26  4.831 

CEZ  CH4  15  26.76  4.886 

CEZ  CH4  15  28.29  4.974 

CEZ  CH4  15  29.65  5.032 

CEZ  CH4  15  30.89  5.058 

CEZ  CH4  15  31.99  5.090 

CEZ  CH4  15  32.98  5.103 

CEZ  CH4  15  33.51  5.086 

CEZ  CH4  15  33.76  5.071 

CEZ  CH4  15  33.90  5.026 

CEZ  CH4  15  33.98  4.965 

CEZ  CH4  15  34.02  4.911 

CEZ  CH4  30  1.17  0.591 

CEZ  CH4  30  2.33  1.062 

CEZ  CH4  30  3.67  1.520 

CEZ  CH4  30  4.94  1.877 

CEZ  CH4  30  6.35  2.177 

CEZ  CH4  30  7.58  2.464 

CEZ  CH4  30  9.10  2.715 

CEZ  CH4  30  10.71  2.907 

CEZ  CH4  30  12.20  3.090 

CEZ  CH4  30  13.63  3.255 

CEZ  CH4  30  15.17  3.414 

CEZ  CH4  30  16.65  3.520 

CEZ  CH4  30  18.25  3.604 

CEZ  CH4  30  19.70  3.710 

CEZ  CH4  30  21.15  3.791 

CEZ  CH4  30  22.74  3.867 

CEZ  CH4  30  24.19  3.911 

CEZ  CH4  30  25.78  3.993 

CEZ  CH4  30  27.25  4.048 

CEZ  CH4  30  28.75  4.084 

CEZ  CH4  30  30.19  4.093 

CEZ  CH4  30  31.27  4.133 

CEZ  CH4  30  32.31  4.118 

CEZ  CH4  30  33.12  4.111 

Page 278: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  277 

CEZ  CH4  30  33.52  4.095 

CEZ  CH4  30  33.75  4.038 

CEZ  CH4  30  33.87  3.976 

CEZ  CH4  30  33.91  3.952 

CEZ  CH4  30  33.97  3.876 

CEZ  CH4  30  33.98  3.833 

CEZ  CH4  30  33.97  3.808 

CEZ  CH4  30  33.97  3.774 

CEZ  CH4  30  33.99  3.700 

CEZ  CH4  30  34.01  3.607 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 279: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  278 

References 

1.  Dudley, B., BP statistical review of world energy, in BP Statistical Review, London, UK, accessed Aug. 2019. p. 2019. 

2.  Agency, I.E., World Energy Outlook 2019. 2019. p. Available online at www.iea.org/reports/world‐energy‐outlook‐2019/. 

3.  Administration, U.S.E.I., Annual Energy Outlook 2019. 2019, U.S. Energy Information Administration. p. Available online at https://www.eia.gov/outlooks/aeo/pdf/aeo2019.pdf. 

4.  Government of Australia ‐ Department of Industry, I.a.S., Resources and Energy Quarterly March 2019, I.a.S. Department of Industry, Editor. 2019, Government of Australia. 

5.  Government of Western Australia ‐ Department of Jobs, T., Science and Innovation, Western Australia Liquefied Natural Gas Profile October 2019, in WA LNG Industry Profile ‐ October 2019, T. Department of Jobs, Science and Innovation, Editor. 2019, Government of Western Australia. 

6.  (UNFCC), U.N.F.o.C.C. The Paris Agreement. 2019; Available online at https://unfccc.int/process‐and‐meetings/the‐paris‐agreement/the‐paris‐agreement]. 

7.  Nachmany, M., S.S. Fankhauser, Joana, and A. Averchenkova, Global trends in climate change legislation and litigation: 2017 update, in London: Grantham Research Institute on Climate Change and the Environment and Centre for Climate Change Economics and Policy, London School of Economics and Political Science. 2017. 

8.  Setzer, J. and R. Byrnes, Global trends in climate change litigation: 2019 snapshot, in London: Grantham Research Institute on Climate Change and the Environment and Centre for Climate Change Economics and Policy, London School of Economics and Political Science. 2019. 

9.  (EEA), E.E.A. Atmospheric greenhouse gas concentrations. 2019 December 5, 2019; Available online at https://www.eea.europa.eu/data‐and‐maps/indicators/atmospheric‐greenhouse‐gas‐concentrations‐6/assessment‐1]. 

10.  Administration, U.S.E.I. How much carbon dioxide is produced when different fuels are burned? 2019 June 4, 2019; Available online at https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=73&t=11]. 

11.  Jacobs, D., The Global Market for Liquefied Natural Gas. 2011, Reserve Bank of Australia (RBA). p. Available online at https://www.rba.gov.au/publications/bulletin/2011/sep/pdf/bu‐0911‐3.pdf. 

12.  Rufford, T.E., S. Smart, G.C. Watson, B. Graham, J. Boxall, J.D. Da Costa, and E. May, The removal of CO2 and N2 from natural gas: A review of conventional and emerging process technologies. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2012. 94: p. 123‐154. 

13.  Kidnay, A.J., W.R. Parrish, and D.G. McCartney, Fundamentals of natural gas processing. 2011: CRC press. 

14.  Hubbard, B. New and Emerging Technologies (Petroskills workshop). in Gas Processors Association Convention. 2010. Austin, Texas: John M.Campbell & Co. 

15.  Bindwal, A.B., P.D. Vaidya, and E.Y. Kenig, Kinetics of carbon dioxide removal by aqueous diamines. Chemical engineering journal, 2011. 169(1‐3): p. 144‐150. 

16.  Wilkinson, D. and G. Johnson. Nitrogen Rejection Technology for Abu Dhabi. in GPA GCC 18th Annual Technical Conference, Oman. 2010. 

17.  FINN, A., Rejection strategies. Hydrocarbon engineering, 2007. 12(10): p. 49‐52. 18.  Peters, L., A. Hussain, M. Follmann, T. Melin, and M.‐B. Hägg, CO2 removal from natural gas 

by employing amine absorption and membrane technology—A technical and economical analysis. Chemical Engineering Journal, 2011. 172(2‐3): p. 952‐960. 

19.  Agrawal, R., D.M. Herron, H.C. Rowles, and G.E. Kinard, Cryogenic technology. Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2000. 

Page 280: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  279 

20.  Maqsood, K., J. Pal, D. Turunawarasu, A.J. Pal, and S. Ganguly, Performance enhancement and energy reduction using hybrid cryogenic distillation networks for purification of natural gas with high CO 2 content. Korean Journal of Chemical Engineering, 2014. 31(7): p. 1120‐1135. 

21.  Tagliabue, M., D. Farrusseng, S. Valencia, S. Aguado, U. Ravon, C. Rizzo, A. Corma, and C. Mirodatos, Natural gas treating by selective adsorption: Material science and chemical engineering interplay. Chemical Engineering Journal, 2009. 155(3): p. 553‐566. 

22.  Alonso‐Vicario, A., Ochoa‐Gomez, JR Gil‐Rio, S. Gomez‐Jimerez‐Aberasturi, O. Ramirez‐Lopez, J. Torrecilla‐Soria, CA and Dominguez, A.:" Purification and upgradng of biogas by pressure swing adsorption on synthetic and natural zeolites. Microporous and Mesoporous Materials, 2010. 134: p. 100‐107. 

23.  Esteves, I.A., M.S. Lopes, P.M. Nunes, and J.P. Mota, Adsorption of natural gas and biogas components on activated carbon. Separation and Purification Technology, 2008. 62(2): p. 281‐296. 

24.  Warmuzinski, K., Harnessing methane emissions from coal mining. Process safety and environmental protection, 2008. 86(5): p. 315‐320. 

25.  Ruthven, D.M., Principles of adsorption and adsorption processes. 1984: John Wiley & Sons. 26.  Seader, J.D., E.J. Henley, and D.K. Roper, Separation process principles. 1998. 27.  Jensen, N.K., T.E. Rufford, G. Watson, D.K. Zhang, K.I. Chan, and E.F. May, Screening zeolites 

for gas separation applications involving methane, nitrogen, and carbon dioxide. Journal of Chemical & Engineering Data, 2011. 57(1): p. 106‐113. 

28.  Rufford, T.E., G.C. Watson, T.L. Saleman, P.S. Hofman, N.K. Jensen, and E.F. May, Adsorption equilibria and kinetics of methane+ nitrogen mixtures on the activated carbon Norit RB3. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013. 52(39): p. 14270‐14281. 

29.  Watson, G., E. May, B. Graham, M. Trebble, R. Trengove, and K. Chan, Equilibrium adsorption measurements of pure nitrogen, carbon dioxide, and methane on a carbon molecular sieve at cryogenic temperatures and high pressures. Journal of Chemical & Engineering Data, 2009. 54(9): p. 2701‐2707. 

30.  Watson, G.C., N.K. Jensen, T.E. Rufford, K.I. Chan, and E.F. May, Volumetric adsorption measurements of N2, CO2, CH4, and a CO2+ CH4 mixture on a natural chabazite from (5 to 3000) kPa. Journal of Chemical & Engineering Data, 2011. 57(1): p. 93‐101. 

31.  Wei, Y., T.E. Parmentier, K.P. de Jong, and J. Zečević, Tailoring and visualizing the pore architecture of hierarchical zeolites. Chemical Society Reviews, 2015. 44(20): p. 7234‐7261. 

32.  Xu, X., X. Zhao, L. Sun, and X. Liu, Adsorption separation of carbon dioxide, methane and nitrogen on monoethanol amine modified β‐zeolite. Journal of Natural Gas Chemistry, 2009. 18(2): p. 167‐172. 

33.  Xu, X., X. Zhao, L. Sun, and X. Liu, Adsorption separation of carbon dioxide, methane, and nitrogen on Hβ and Na‐exchanged β‐zeolite. Journal of Natural Gas Chemistry, 2008. 17(4): p. 391‐396. 

34.  Xu, X., C. Song, B.G. Miller, and A.W. Scaroni, Adsorption separation of carbon dioxide from flue gas of natural gas‐fired boiler by a novel nanoporous “molecular basket” adsorbent. Fuel processing technology, 2005. 86(14‐15): p. 1457‐1472. 

35.  Herm, Z.R., R. Krishna, and J.R. Long, CO2/CH4, CH4/H2 and CO2/CH4/H2 separations at high pressures using Mg2 (dobdc). Microporous and Mesoporous Materials, 2012. 151: p. 481‐487. 

36.  Alhamami, M., H. Doan, and C.‐H. Cheng, A Review on Breathing Behaviors of Metal‐Organic‐Frameworks (MOFs) for Gas Adsorption. Materials, 2014. 7(4): p. 3198. 

37.  He, Y., J. Shang, Q. Gu, G. Li, J. Li, R. Singh, P. Xiao, and P.A. Webley, Converting 3D rigid metal–organic frameworks (MOFs) to 2D flexible networks via ligand exchange for enhanced CO 2/N 2 and CH 4/N 2 separation. Chemical Communications, 2015. 51(79): p. 14716‐14719. 

38.  Yilmaz, B., N. Trukhan, and U. Mueller, Industrial outlook on zeolites and metal organic frameworks. Chinese Journal of Catalysis, 2012. 33(1): p. 3‐10. 

Page 281: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  280 

39.  Demessence, A. and J.R. Long, Selective gas adsorption in the flexible metal–organic frameworks Cu (BDTri) L (L= dmf, def). Chemistry–A European Journal, 2010. 16(20): p. 5902‐5908. 

40.  Li, B., Z. Zhang, Y. Li, K. Yao, Y. Zhu, Z. Deng, F. Yang, X. Zhou, G. Li, and H. Wu, Enhanced binding affinity, remarkable selectivity, and high capacity of CO2 by dual functionalization of a 

rht‐type metal–organic framework. Angewandte Chemie International Edition, 2012. 51(6): p. 1412‐1415. 

41.  Khan, N.A., Z. Hasan, and S.H. Jhung, Adsorptive removal of hazardous materials using metal‐organic frameworks (MOFs): a review. Journal of hazardous materials, 2013. 244: p. 444‐456. 

42.  Gu, C., D. Liu, W. Huang, J. Liu, and R. Yang, Synthesis of covalent triazine‐based frameworks with high CO 2 adsorption and selectivity. Polymer Chemistry, 2015. 6(42): p. 7410‐7417. 

43.  Xu, C. and N. Hedin, Synthesis of microporous organic polymers with high CO 2‐over‐N 2 selectivity and CO 2 adsorption. Journal of Materials Chemistry A, 2013. 1(10): p. 3406‐3414. 

44.  Langmuir, I., The constitution and fundamental properties of solids and liquids. II. Liquids. Journal of the American chemical society, 1917. 39(9): p. 1848‐1906. 

45.  Brunauer, S., L.S. Deming, W.E. Deming, and E. Teller, On a theory of the van der Waals adsorption of gases. Journal of the American Chemical society, 1940. 62(7): p. 1723‐1732. 

46.  Sips, R., Combined form of Langmuir and Freundlich equations. J. Chem. Phys, 1948. 16(429): p. 490‐495. 

47.  Farrusseng, D., Metal‐organic frameworks: applications from catalysis to gas storage. 2011: John Wiley & Sons. 

48.  Mason, J.A., J. Oktawiec, M.K. Taylor, M.R. Hudson, J. Rodriguez, J.E. Bachman, M.I. Gonzalez, A. Cervellino, A. Guagliardi, and C.M. Brown, Methane storage in flexible metal–organic frameworks with intrinsic thermal management. Nature, 2015. 527(7578): p. 357‐361. 

49.  Thallapally, P.K., J. Tian, M. Radha Kishan, C.A. Fernandez, S.J. Dalgarno, P.B. McGrail, J.E. Warren, and J.L. Atwood, Flexible (breathing) interpenetrated metal− organic frameworks for CO2 separation applications. Journal of the American Chemical Society, 2008. 130(50): p. 16842‐16843. 

50.  Li, Y. and R.T. Yang, Gas adsorption and storage in metal− organic framework MOF‐177. Langmuir, 2007. 23(26): p. 12937‐12944. 

51.  Ma, S. and H.‐C. Zhou, Gas storage in porous metal–organic frameworks for clean energy applications. Chemical Communications, 2010. 46(1): p. 44‐53. 

52.  Lee, J., O.K. Farha, J. Roberts, K.A. Scheidt, S.T. Nguyen, and J.T. Hupp, Metal–organic framework materials as catalysts. Chemical Society Reviews, 2009. 38(5): p. 1450‐1459. 

53.  Suh, M.P., H.J. Park, T.K. Prasad, and D.‐W. Lim, Hydrogen Storage in Metal–Organic Frameworks. Chemical Reviews, 2012. 112(2): p. 782‐835. 

54.  Stock, N. and S. Biswas, Synthesis of metal‐organic frameworks (MOFs): routes to various MOF topologies, morphologies, and composites. Chemical reviews, 2011. 112(2): p. 933‐969. 

55.  Farha, O.K., A.Ö. Yazaydın, I. Eryazici, C.D. Malliakas, B.G. Hauser, M.G. Kanatzidis, S.T. Nguyen, R.Q. Snurr, and J.T. Hupp, De novo synthesis of a metal–organic framework material featuring ultrahigh surface area and gas storage capacities. Nature chemistry, 2010. 2(11): p. 944‐948. 

56.  Férey, G. and C. Serre, Large breathing effects in three‐dimensional porous hybrid matter: facts, analyses, rules and consequences. Chemical Society Reviews, 2009. 38(5): p. 1380‐1399. 

57.  Schneemann, A., V. Bon, I. Schwedler, I. Senkovska, S. Kaskel, and R.A. Fischer, Flexible metal–organic frameworks. Chemical Society Reviews, 2014. 43(16): p. 6062‐6096. 

58.  Boutin, A., S. Couck, F.‐X. Coudert, P. Serra‐Crespo, J. Gascon, F. Kapteijn, A.H. Fuchs, and J.F. Denayer, Thermodynamic analysis of the breathing of amino‐functionalized MIL‐53 (Al) upon CO 2 adsorption. Microporous and Mesoporous Materials, 2011. 140(1): p. 108‐113. 

Page 282: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  281 

59.  Arami‐Niya, A., G. Birkett, Z. Zhu, and T.E. Rufford, Gate opening effect of zeolitic imidazolate framework ZIF‐7 for adsorption of CH 4 and CO 2 from N 2. Journal of Materials Chemistry A, 2017. 5(40): p. 21389‐21399. 

60.  Couck, S., J.F. Denayer, G.V. Baron, T. Rémy, J. Gascon, and F. Kapteijn, An amine‐functionalized MIL‐53 metal− organic framework with large separa on power for CO2 and CH4. Journal of the American Chemical Society, 2009. 131(18): p. 6326‐6327. 

61.  Li, G.K., J. Shang, Q. Gu, R.V. Awati, N. Jensen, A. Grant, X. Zhang, D.S. Sholl, J.Z. Liu, P.A. Webley, and E.F. May, Temperature‐regulated guest admission and release in microporous materials. Nature Communications, 2017. 8: p. 15777. 

62.  Coudert, F.‐X., M. Jeffroy, A.H. Fuchs, A. Boutin, and C. Mellot‐Draznieks, Thermodynamics of Guest‐Induced Structural Transitions in Hybrid Organic−Inorganic Frameworks. Journal of the American Chemical Society, 2008. 130(43): p. 14294‐14302. 

63.  Horike, S., S. Shimomura, and S. Kitagawa, Soft porous crystals. Nature chemistry, 2009. 1(9): p. 695‐704. 

64.  McDonald, T.M., J.A. Mason, X. Kong, E.D. Bloch, D. Gygi, A. Dani, V. Crocella, F. Giordanino, S.O. Odoh, and W.S. Drisdell, Cooperative insertion of CO2 in diamine‐appended metal‐organic frameworks. Nature, 2015. 519(7543): p. 303‐308. 

65.  Zhao, P., G.I. Lampronti, G.O. Lloyd, E. Suard, and S.A. Redfern, Direct visualisation of carbon dioxide adsorption in gate‐opening zeolitic imidazolate framework ZIF‐7. Journal of Materials Chemistry A, 2014. 2(3): p. 620‐623. 

66.  Du, Y., B. Wooler, M. Nines, P. Kortunov, C.S. Paur, J. Zengel, S.C. Weston, and P.I. Ravikovitch, New high‐and low‐temperature phase changes of ZIF‐7: elucidation and prediction of the thermodynamics of transitions. J. Am. Chem. Soc, 2015. 137(42): p. 13603‐13611. 

67.  Gao, S., C.G. Morris, Z. Lu, Y. Yan, H.G. Godfrey, C. Murray, C.C. Tang, K.M. Thomas, S. Yang, and M. Schröder, Selective Hysteretic Sorption of Light Hydrocarbons in a Flexible Metal–Organic Framework Material. Chemistry of Materials, 2016. 28(7): p. 2331‐2340. 

68.  Numaguchi, R., H. Tanaka, S. Watanabe, and M.T. Miyahara, Simulation study for adsorption‐induced structural transition in stacked‐layer porous coordination polymers: Equilibrium and hysteretic adsorption behaviors. The Journal of chemical physics, 2013. 138(5): p. 054708. 

69.  Coudert, F.‐X., M. Jeffroy, A.H. Fuchs, A. Boutin, and C. Mellot‐Draznieks, Thermodynamics of guest‐induced structural transitions in hybrid organic− inorganic frameworks. Journal of the American Chemical Society, 2008. 130(43): p. 14294‐14302. 

70.  Llewellyn, P.L., G. Maurin, T. Devic, S. Loera‐Serna, N. Rosenbach, C. Serre, S. Bourrelly, P. Horcajada, Y. Filinchuk, and G. Férey, Prediction of the conditions for breathing of metal organic framework materials using a combination of X‐ray powder diffraction, microcalorimetry, and molecular simulation. Journal of the American Chemical Society, 2008. 130(38): p. 12808‐12814. 

71.  Cai, W., T. Lee, M. Lee, W. Cho, D.‐Y. Han, N. Choi, A.C. Yip, and J. Choi, Thermal structural transitions and carbon dioxide adsorption properties of zeolitic imidazolate framework‐7 (ZIF‐7). Journal of the American Chemical Society, 2014. 136(22): p. 7961‐7971. 

72.  Gücüyener, C., J. van den Bergh, J. Gascon, and F. Kapteijn, Ethane/ethene separation turned on its head: selective ethane adsorption on the metal− organic Framework ZIF‐7 through a gate‐opening mechanism. Journal of the American Chemical Society, 2010. 132(50): p. 17704‐17706. 

73.  Morishige, K. and N. Tateishi, Adsorption hysteresis in ink‐bottle pore. The Journal of chemical physics, 2003. 119(4): p. 2301‐2306. 

74.  Neimark, A.V., P.I. Ravikovitch, and A. Vishnyakov, Adsorption hysteresis in nanopores. Physical Review E, 2000. 62(2): p. R1493. 

75.  Burgess, C.G., D.H. Everett, and S. Nuttall, Adsorption hysteresis in porous materials. Pure and Applied chemistry, 1989. 61(11): p. 1845‐1852. 

Page 283: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  282 

76.  Serre, C., S. Bourrelly, A. Vimont, N.A. Ramsahye, G. Maurin, P.L. Llewellyn, M. Daturi, Y. Filinchuk, O. Leynaud, and P. Barnes, An explanation for the very large breathing effect of a metal–organic framework during CO2 adsorption. Advanced materials, 2007. 19(17): p. 2246‐2251. 

77.  Neimark, A.V., F.‐X. Coudert, C. Triguero, A. Boutin, A.H. Fuchs, I. Beurroies, and R. Denoyel, Structural Transitions in MIL‐53 (Cr): View from Outside and Inside. Langmuir, 2011. 27(8): p. 4734‐4741. 

78.  Boutin, A., F.‐X. Coudert, M.‐A. Springuel‐Huet, A.V. Neimark, G. Férey, and A.H. Fuchs, The behavior of flexible MIL‐53 (Al) upon CH4 and CO2 adsorption. The Journal of Physical Chemistry C, 2010. 114(50): p. 22237‐22244. 

79.  Gomez, L.F., R. Zacharia, P. Bénard, and R. Chahine, Simulation of Binary CO2/CH4 Mixture Breakthrough Profiles in MIL‐53 (Al). Journal of Nanomaterials, 2015. 2015: p. 15. 

80.  Rodenas, T., M. van Dalen, E. García‐Pérez, P. Serra‐Crespo, B. Zornoza, F. Kapteijn, and J. 

Gascon, Visualizing MOF Mixed Matrix Membranes at the Nanoscale: Towards Structure‐Performance Relationships in CO2/CH4 Separation Over NH2‐MIL‐53 (Al)@ PI. Advanced Functional Materials, 2014. 24(2): p. 249‐256. 

81.  Cavenati, S., C.A. Grande, and A.E. Rodrigues, Adsorption equilibrium of methane, carbon dioxide, and nitrogen on zeolite 13X at high pressures. Journal of Chemical & Engineering Data, 2004. 49(4): p. 1095‐1101. 

82.  Basu, S., M. Maes, A. Cano‐Odena, L. Alaerts, D.E. De Vos, and I.F.J. Vankelecom, Solvent resistant nanofiltration (SRNF) membranes based on metal‐organic frameworks. Journal of Membrane Science, 2009. 344(1–2): p. 190‐198. 

83.  Krause, S., V. Bon, I. Senkovska, U. Stoeck, D. Wallacher, D.M. Többens, S. Zander, R.S. Pillai, G. Maurin, and F.o.‐X. Coudert, A pressure‐amplifying framework material with negative gas adsorption transitions. Nature, 2016. 532(7599): p. 348‐352. 

84.  Yan, T., Y. Lan, D. Liu, Q. Yang, and C. Zhong, Large‐Scale Screening and Design of Metal–Organic Frameworks for CH4/N2 Separation. Chemistry–An Asian Journal, 2019. 14(20): p. 3688‐3693. 

85.  Wu, Y., D. Yuan, D. He, J. Xing, S. Zeng, S. Xu, Y. Xu, and Z. Liu, Decorated Traditional Zeolites with Subunits of Metal–Organic Frameworks for CH4/N2 Separation. Angewandte Chemie International Edition, 2019. 58(30): p. 10241‐10244. 

86.  Chen, Y., H. Wu, Y. Yuan, D. Lv, Z. Qiao, D. An, X. Wu, H. Liang, Z. Li, and Q. Xia, Highly rapid mechanochemical synthesis of a pillar‐layer metal‐organic framework for efficient CH4/N2 separation. Chemical Engineering Journal, 2020. 385: p. 123836. 

87.  Chen, L.‐H., X.‐Y. Li, J.C. Rooke, Y.‐H. Zhang, X.‐Y. Yang, Y. Tang, F.‐S. Xiao, and B.‐L. Su, Hierarchically structured zeolites: synthesis, mass transport properties and applications. Journal of Materials Chemistry, 2012. 22(34): p. 17381‐17403. 

88.  Deng, C., J. Zhang, L. Dong, M. Huang, B. Li, G. Jin, J. Gao, F. Zhang, M. Fan, and L. Zhang, The effect of positioning cations on acidity and stability of the framework structure of Y zeolite. Scientific reports, 2016. 6: p. 23382. 

89.  Yang, R.T., Adsorbents: fundamentals and applications. 2003: John Wiley & Sons. 90.  Mahaffy, P.G., R. Bucat, R. Tasker, J.C. Kotz, P. Treichel, G.C. Weaver, and J. McMurry, 

Chemistry: Human Activity, Chemical Reactivity. 2011: Nelson Education Toronto. 91.  Sethia, G., R.S. Somani, and H.C. Bajaj, Adsorption of carbon monoxide, methane and nitrogen 

on alkaline earth metal ion exchanged zeolite‐X: structure, cation position and adsorption relationship. RSC Advances, 2015. 5(17): p. 12773‐12781. 

92.  Hofman, P.S., T.E. Rufford, K.I. Chan, and E.F. May, A dynamic column breakthrough apparatus for adsorption capacity measurements with quantitative uncertainties. Adsorption, 2012. 18(3‐4): p. 251‐263. 

93.  LI, G., E.F. MAY, P.A. WEBLEY, S.H.‐W. HUANG, and K.I. CHAN, METHOD FOR GAS SEPARATION, U.S.P.a.T. Office, Editor. 2020. 

Page 284: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  283 

94.  Mills, B. Structural formula of tetramethylammonium chloride. 2015 23 April 2015 [cited 2020; Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tetramethylammonium‐chloride‐ion‐pair‐2D.png. 

95.  Li, G.K., J. Shang, P. Xiao, R. Singh, D. Danaci, P.A. Webley, and E.F. May, Separation of nitrogen/methane on organic cation zeolites for natural gas purification, in FOA11 – 11th International Conference on the Fundamentals of Adsorption. 2013: Baltimore, MD. 

96.  Saleman, T.L., G.C. Watson, T.E. Rufford, P.S. Hofman, K.I. Chan, and E.F. May, Capacity and kinetic measurements of methane and nitrogen adsorption on H+‐mordenite at 243–303 K and pressures to 900 kPa using a dynamic column breakthrough apparatus. Adsorption, 2013. 19(6): p. 1165‐1180. 

97.  Thu, M.S., Advanced Natural Gas Separation: Further Characterization of Ionic Liquidic Zeolites, in School of Mechanical & Chemical Engineering. 2015, University of Western Australia. 

98.  International, Z. Zeolite Y. Available from: https://www.zeolyst.com/our‐products/standard‐zeolite‐powders/zeolite‐y.html. 

99.  Talu, O., S.Y. Zhang, and D.T. Hayhurst, Effect of cations on methane adsorption by NaY, MgY, CaY, SrY, and BaY zeolites. The Journal of Physical Chemistry, 1993. 97(49): p. 12894‐12898. 

100.  Salem, M., P. Braeuer, M.v. Szombathely, M. Heuchel, P. Harting, K. Quitzsch, and M. Jaroniec, Thermodynamics of high‐pressure adsorption of argon, nitrogen, and methane on microporous adsorbents. Langmuir, 1998. 14(12): p. 3376‐3389. 

101.  Maurin, G., P. Llewellyn, T. Poyet, and B. Kuchta, Adsorption of argon and nitrogen in X‐faujasites: relationships for understanding the interactions with monovalent and divalent cations. Microporous and mesoporous materials, 2005. 79(1‐3): p. 53‐59. 

102.  Lee, K.‐M., Y.‐H. Lim, and Y.‐M. Jo, Evaluation of moisture effect on low‐level CO2 adsorption by ion‐exchanged zeolite. Environmental technology, 2012. 33(1): p. 77‐84. 

103.  Groen, J.C., J.C. Jansen, J.A. Moulijn, and J. Pérez‐Ramírez, Optimal aluminum‐assisted mesoporosity development in MFI zeolites by desilication. The Journal of Physical Chemistry B, 2004. 108(35): p. 13062‐13065. 

104.  Bhatnagar, A., W. Hogland, M. Marques, and M. Sillanpää, An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applications. Chemical Engineering Journal, 2013. 219: p. 499‐511. 

105.  Chen, L., H. Xie, and W. Yu, Functionalization methods of carbon nanotubes and its applications. Carbon nanotubes applications on electron devices, 2011. 41(2): p. 215‐222. 

106.  Chingombe, P., B. Saha, and R. Wakeman, Surface modification and characterisation of a coal‐based activated carbon. Carbon, 2005. 43(15): p. 3132‐3143. 

107.  Chen, J.P. and S. Wu, Acid/base‐treated activated carbons: characterization of functional groups and metal adsorptive properties. Langmuir, 2004. 20(6): p. 2233‐2242. 

108.  Wu, Z., P.A. Webley, and D. Zhao, Comprehensive study of pore evolution, mesostructural stability, and simultaneous surface functionalization of ordered mesoporous carbon (FDU‐15) by wet oxidation as a promising adsorbent. Langmuir, 2010. 26(12): p. 10277‐10286. 

109.  Vinu, A., K.Z. Hossian, P. Srinivasu, M. Miyahara, S. Anandan, N. Gokulakrishnan, T. Mori, K. Ariga, and V.V. Balasubramanian, Carboxy‐mesoporous carbon and its excellent adsorption capability for proteins. Journal of Materials Chemistry, 2007. 17(18): p. 1819‐1825. 

110.  Moreno‐Castilla, C., F. Carrasco‐Marín, and A. Mueden, The creation of acid carbon surfaces by treatment with (NH4) 2S2O8. Carbon, 1997. 35(10‐11): p. 1619‐1626. 

111.  Moreno‐Castilla, C., M. Ferro‐Garcia, J. Joly, I. Bautista‐Toledo, F. Carrasco‐Marin, and J. Rivera‐Utrilla, Activated carbon surface modifications by nitric acid, hydrogen peroxide, and ammonium peroxydisulfate treatments. Langmuir, 1995. 11(11): p. 4386‐4392. 

112.  Zhang, D., W. Cheng, J. Ma, and R. Li, Influence of activated carbon in zeolite X/activated carbon composites on CH 4/N 2 adsorption separation ability. Adsorption, 2016. 22(8): p. 1129‐1135. 

Page 285: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  284 

113.  Miyake, M., Y. Kimura, T. Ohashi, and M. Matsuda, Preparation of activated carbon–zeolite composite materials from coal fly ash. Microporous and Mesoporous Materials, 2008. 112(1‐3): p. 170‐177. 

114.  Jha, V.K., M. Matsuda, and M. Miyake, Sorption properties of the activated carbon‐zeolite composite prepared from coal fly ash for Ni2+, Cu2+, Cd2+ and Pb2+. Journal of Hazardous Materials, 2008. 160(1): p. 148‐153. 

115.  Paskevicius, M., D.A. Sheppard, and C.E. Buckley, Thermodynamic changes in mechanochemically synthesized magnesium hydride nanoparticles. Journal of the American chemical Society, 2010. 132(14): p. 5077‐5083. 

116.  Purewal, J., Hydrogen adsorption by alkali metal graphite intercalation compounds. 2010, California Institute of Technology. 

117.  Wang, Y., B. Helvensteijn, N. Nizamidin, A.M. Erion, L.A. Steiner, L.M. Mulloth, B. Luna, and M.D. LeVan, High pressure excess isotherms for adsorption of oxygen and nitrogen in zeolites. Langmuir, 2011. 27(17): p. 10648‐10656. 

118.  Tekin, R., N. Bac, J. Warzywoda, and A. Sacco Jr, Encapsulation of a fragrance molecule in zeolite X. Microporous and Mesoporous Materials, 2015. 215: p. 51‐57. 

119.  Ahmed, I.A., S. Young, J. Mosselmans, N. Crout, and E. Bailey, Coordination of Cd2+ ions in the internal pore system of zeolite‐X: A combined EXAFS and isotopic exchange study. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2009. 73(6): p. 1577‐1587. 

120.  Beaudoin, J.J. and J. Marchand, Pore structure. Handbook of Analytic Techniques in Concrete Science and Technology, Principles, Techniques, and Applications, Noyes Publication, New Jersey, 1999: p. 529‐628. 

121.  Ismail, A.F., K.C. Khulbe, and T. Matsuura, Gas separation membranes. Vol. 7. 2015: Springer. 122.  Mao, Z. and S.B. Sinnott, Separation of organic molecular mixtures in carbon nanotubes and 

bundles: molecular dynamics simulations. The Journal of Physical Chemistry B, 2001. 105(29): p. 6916‐6924. 

123.  Drahos, L. and K. Vékey, Determination of the thermal energy and its distribution in peptides. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1999. 10(4): p. 323‐328. 

124.  Vékey, K., Internal energy effects in mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry, 1996. 31(5): p. 445‐463. 

125.  Murdock, C.R., B.C. Hughes, Z. Lu, and D.M. Jenkins, Approaches for synthesizing breathing MOFs by exploiting dimensional rigidity. Coordination Chemistry Reviews, 2014. 258: p. 119‐136. 

126.  Foo, K.Y. and B.H. Hameed, Insights into the modeling of adsorption isotherm systems. Chemical engineering journal, 2010. 156(1): p. 2‐10. 

127.  Malek, A. and S. Farooq, Comparison of isotherm models for hydrocarbon adsorption on activated carbon. AIChE Journal, 1996. 42(11): p. 3191‐3201. 

128.  Li, G., P. Xiao, D. Xu, and P.A. Webley, Dual mode roll‐up effect in multicomponent non‐isothermal adsorption processes with multilayered bed packing. Chemical engineering science, 2011. 66(9): p. 1825‐1834. 

129.  Ko, D., R. Siriwardane, and L.T. Biegler, Optimization of a pressure‐swing adsorption process using zeolite 13X for CO2 sequestration. Industrial & engineering chemistry research, 2003. 42(2): p. 339‐348. 

130.  Chue, K., J. Kim, Y. Yoo, S. Cho, and R. Yang, Comparison of activated carbon and zeolite 13X for CO2 recovery from flue gas by pressure swing adsorption. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1995. 34(2): p. 591‐598. 

131.  Xiao, G., Z. Li, T.L. Saleman, and E.F. May, Adsorption equilibria and kinetics of CH4 and N2 on commercial zeolites and carbons. Adsorption, 2017. 23(1): p. 131‐147. 

132.  Saha, D., Z. Bao, F. Jia, and S. Deng, Adsorption of CO2, CH4, N2O, and N2 on MOF‐5, MOF‐177, and zeolite 5A. Environmental science & technology, 2010. 44(5): p. 1820‐1826. 

Page 286: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  285 

133.  Shang, J., G. Li, R. Singh, Q. Gu, K.M. Nairn, T.J. Bastow, N. Medhekar, C.M. Doherty, A.J. Hill, and J.Z. Liu, Discriminative separation of gases by a “molecular trapdoor” mechanism in chabazite zeolites. Journal of the American Chemical Society, 2012. 134(46): p. 19246‐19253. 

134.  Li, G.K., J. Shang, Q. Gu, R.V. Awati, N. Jensen, A. Grant, X. Zhang, D.S. Sholl, J.Z. Liu, and P.A. Webley, Temperature‐regulated guest admission and release in microporous materials. Nature communications, 2017. 8: p. 15777. 

135.  Sumida, K., D.L. Rogow, J.A. Mason, T.M. McDonald, E.D. Bloch, Z.R. Herm, T.‐H. Bae, and J.R. Long, Carbon dioxide capture in metal–organic frameworks. Chemical reviews, 2011. 112(2): p. 724‐781. 

136.  Dinca, M. and J.R. Long, Strong H2 binding and selective gas adsorption within the microporous coordination solid Mg3 (O2C‐C10H6‐CO2) 3. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127(26): p. 9376‐9377. 

137.  Yuan, W., Y. Lin, and W. Yang, Molecular sieving MFI‐type zeolite membranes for pervaporation separation of xylene isomers. Journal of the American Chemical Society, 2004. 126(15): p. 4776‐4777. 

138.  Shang, J., G. Li, R. Singh, P. Xiao, J.Z. Liu, and P.A. Webley, Potassium chabazite: a potential nanocontainer for gas encapsulation. The Journal of Physical Chemistry C, 2010. 114(50): p. 22025‐22031. 

139.  Kuznicki, S.M., V.A. Bell, S. Nair, H.W. Hillhouse, R.M. Jacubinas, C.M. Braunbarth, B.H. Toby, and M. Tsapatsis, A titanosilicate molecular sieve with adjustable pores for size‐selective adsorption of molecules. Nature, 2001. 412(6848): p. 720. 

140.  Webley, P.A., Seventh Pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technology, 24–27 September 2015, Xiamen, China. 2016, Springer. 

141.  Li, G., P. Xiao, J. Zhang, P.A. Webley, and D. Xu, The role of water on postcombustion CO2 capture by vacuum swing adsorption: Bed layering and purge to feed ratio. AIChE Journal, 2014. 60(2): p. 673‐689. 

142.  Li, G., P. Xiao, P. Webley, J. Zhang, R. Singh, and M. Marshall, Capture of CO 2 from high humidity flue gas by vacuum swing adsorption with zeolite 13X. Adsorption, 2008. 14(2‐3): p. 415‐422. 

143.  Göltl, F. and J. Hafner, Alkane adsorption in Na‐exchanged chabazite: The influence of dispersion forces. The Journal of chemical physics, 2011. 134(6): p. 064102. 

144.  Thrush, K.A. and S.M. Kuznicki, Characterization of chabazite and chabazite‐like zeolites of unusual composition. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 1991. 87(7): p. 1031‐1035. 

145.  Liu, L., R. Singh, G. Li, P. Xiao, P. Webley, and Y. Zhai, Synthesis and adsorption properties of titanosilicates ETS‐4 and ETS‐10 from fly ash. Journal of hazardous materials, 2011. 195: p. 340‐345. 

146.  Bourgogne, M., J.‐L. Guth, and R. Wey, Process for the preparation of synthetic zeolites, and zeolites obtained by said process. 1985, Google Patents. 

147.  Liu, B., Y. Zheng, N. Hu, T. Gui, Y. Li, F. Zhang, R. Zhou, X. Chen, and H. Kita, Synthesis of low‐silica CHA zeolite chabazite in fluoride media without organic structural directing agents and zeolites. Microporous and Mesoporous Materials, 2014. 196: p. 270‐276. 

148.  Van Heest, T., S.L. Teich‐McGoldrick, J.A. Greathouse, M.D. Allendorf, and D.S. Sholl, Identification of metal–organic framework materials for adsorption separation of rare gases: Applicability of ideal adsorbed solution theory (IAST) and effects of inaccessible framework regions. The Journal of Physical Chemistry C, 2012. 116(24): p. 13183‐13195. 

149.  Kresse, G. and J. Furthmüller, Efficient iterative schemes for ab initio total‐energy calculations using a plane‐wave basis set. Physical Review B, 1996. 54(16): p. 11169‐11186. 

150.  Kresse, G. and D. Joubert, From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented‐wave method. Physical review b, 1999. 59(3): p. 1758. 

Page 287: Advanced Adsorbents with High Selectivity and Enhanced ...

PhD Thesis   Shamsur Rahman  286 

151.  Jeong, G.‐Y., A.K. Singh, M.‐G. Kim, K.‐W. Gyak, U. Ryu, K.M. Choi, and D.‐P. Kim, Metal‐organic framework patterns and membranes with heterogeneous pores for flow‐assisted switchable separations. Nature communications, 2018. 9(1): p. 1‐9. 

152.  Sadakiyo, M., T. Yamada, K. Kato, M. Takata, and H. Kitagawa, A significant change in selective adsorption behaviour for ethanol by flexibility control through the type of central metals in a metal–organic framework. Chemical science, 2016. 7(2): p. 1349‐1356. 

153.  Carrington, E.J., C.A. McAnally, A.J. Fletcher, S.P. Thompson, M. Warren, and L. Brammer, Solvent‐switchable continuous‐breathing behaviour in a diamondoid metal–organic framework and its influence on CO 2 versus CH 4 selectivity. Nature Chemistry, 2017. 9(9): p. 882‐889. 

154.  Wannapaiboon, S., A. Schneemann, I. Hante, M. Tu, K. Epp, A.L. Semrau, C. Sternemann, M. Paulus, S.J. Baxter, G. Kieslich, and R.A. Fischer, Control of structural flexibility of layered‐pillared metal‐organic frameworks anchored at surfaces. Nature Communications, 2019. 10(1): p. 346. 

155.  Henke, S., M.T. Wharmby, G. Kieslich, I. Hante, A. Schneemann, Y. Wu, D. Daisenberger, and A.K. Cheetham, Pore closure in zeolitic imidazolate frameworks under mechanical pressure. Chemical science, 2018. 9(6): p. 1654‐1660. 

156.  Neimark, A.V., F.‐X. Coudert, A. Boutin, and A.H. Fuchs, Stress‐based model for the breathing of metal− organic frameworks. The journal of physical chemistry letters, 2009. 1(1): p. 445‐449. 

157.  Hazra, A., D.P. van Heerden, S. Sanyal, P. Lama, C. Esterhuysen, and L.J. Barbour, CO 2‐induced single‐crystal to single‐crystal transformations of an interpenetrated flexible MOF explained by in situ crystallographic analysis and molecular modeling. Chemical science, 2019. 10(43): p. 10018‐10024. 

158.  Evans, J.D., S. Krause, S. Kaskel, M.B. Sweatman, and L. Sarkisov, Exploring the thermodynamic criteria for responsive adsorption processes. Chemical science, 2019. 10(19): p. 5011‐5017. 

159.  Li, G., J. Shang, Q. Gu, R.V. Awati, N. Jensen, A. Grant, X. Zhang, D.S. Sholl, J.Z. Liu, P.A. Webley, and E.F. May, Temperature‐regulated guest admission and release in microporous materials. 2017. 8: p. 15777. 

160.  Neimark, A.V., P.I. Ravikovitch, M. Grün, F. Schüth, and K.K. Unger, Pore size analysis of MCM‐41 type adsorbents by means of nitrogen and argon adsorption. Journal of Colloid and Interface Science, 1998. 207(1): p. 159‐169. 

161.  Wedler, C., K. Lotz, A. Arami‐Niya, G. Xiao, R. Span, M. Muhler, E.F. May, and M. Richter, Influence of Mineral Composition of Chars Derived by Hydrothermal Carbonization on Sorption Behavior of CO2, CH4, and O2. ACS omega, 2020. 

162.  Couck, S., J.F.M. Denayer, G.V. Baron, T. Rémy, J. Gascon, and F. Kapteijn, An Amine‐Functionalized MIL‐53 Metal−Organic Framework with Large Separa on Power for CO2 and CH4. Journal of the American Chemical Society, 2009. 131(18): p. 6326‐6327. 

163.  Arami‐Niya, A., G. Birkett, Z. Zhu, and T.E. Rufford, Gate opening effect of zeolitic imidazolate framework ZIF‐7 for adsorption of CH4 and CO2 from N2. Journal of Materials Chemistry A, 2017. 5(40): p. 21389‐21399. 

164.  Yang, X., A. Arami‐Niya, G. Xiao, and E. May, Flexible Adsorbents at High Pressure: Observations and Correlation of ZIF‐7 Sorption Isotherms for Argon, Nitrogen and Other Gases. Journal of Material Chemistry A 2020. Submitted.