بخشی از مقاله
خلاصه
با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی ، پتانسیل کاربردی صفحات هگزاگونالی بور-نیتریدی برای جداسازی گازهای N2/H2 در دمای 300 k را بررسی نموده ایم. یک سری از صفحات هگزاگونالی بور- نیتریدی متخلخل به عنوان غشا برای جداسازی N2/H2 طراحی شده اند. گزینش پذیری و عبورپذیری می تواند به وسیله ایجاد حفره های متنوع با شکلها و اندازه های متفاوت کنترل شود. مکانیسم عبور گاز N2 و H2 از صفحات h-BN متفاوت است.
نانوحفره ی کوچک با اندازه 7 Å می تواند به مولکول های H2 اجازه عبور دهد که به دلیل اندازه آن می باشد. در سیستم هایی با نانوحفرات بزرگتر، جایی که اندازه ی حفره به اندازه کافی بزرگتر می شود ، مولکول هایN2 هم می توانند عبور کنند و در واقع عبور مولکول های N2 نسبت به H2 را بیشتر مشاهده می کنیم. بنابراین نتایج ما بیان می کند که صفحات بور-نیتریدی دارای نانوحفره می توانند به عنوان یک غشای جدید برای جداسازی گازها به کار روند.
.1 مقدمه
جداسازی گازهای مختلف به عنوان یکی از چالش های اساسی در جامعه بشری مطرح می باشد که توجهات زیادی را به خود جلب نموده است. جداسازی گازها با اثر بخشی بالا ، موضوع بسیار مهمی است که سبب بهینه سازی انرژی و یا کاهش تاثیرات مخرب برخی گازها بر محیط زیست می گردد. در مقایسه با تکنولوژی های جداسازی سنتی که عمدتا پیچیده و هزینه بر هستند ، جداسازی توسط غشاها بسیار کارآمد بوده و مورد توجه قرار گرفته اند زیرا امتیازات ویژه ای نسبت به سایر رقیبهای خود دارند که عبارتند از :
- 1 مصرف پایین انرژی
- 2 عدم آلایندگی
- 3 نفوذ پذیری بالا
- 4 گزینش پذیری زیاد
فرایند جداسازی می تواند به وسیله ی انواع غشاها از جمله : غشاهای پلیمری، معدنی، سیلیکایی ، صفحه های گرافنی و ... انجام شود. دو مشخصه مهم برای ارزیابی غشاها وجود دارد که عبارتند از - 1 انتخاب پذیری - 2 نفوذ پذیری. یک غشای ایده ال برای جداسازی نیز باید نازک باشد و حفره های یکسان برای عبوردهی گازها داشته باشد زیرا فرایند تفکیک گازها به وسیله ی حفره ها و یا فواصل کم موجود بین صفحات غشاها صورت می گیرد.
یکی از تحقیقات انجام شده در این زمینه ، طراحی غشای گرافنی متخلخل و اصلاح شده با فلوئور می باشد که دارای گزینش پذیری بسیار خوبی برای جداسازی &2₂/1₂ است .[1] همچنین CMS ها - Carbon molecular sieve - یا غربالگر مولکولی کربن نیز یکی از غشاهای معدنی متخلخل می باشند که قابلیت خوبی در جداسازی مولکولهای گازی در مقادیر کم را دارا می باشند.[2] در مطالعه ای دیگر قابلیت غشای CNT/AAO - غشای نانولوله ای با قالب اکسید آلومینیوم آندی - ، برای جداسازی گاز H S از مخلوط H S/CH مورد بررسی قرار گرفت، که از قالب AAO با قطر حفرات متفاوت در آن استفاده شده است.
[3] در این بررسی برای افزایش جداسازی H S از مخلوط گازی ذکرشده، غشا را توسط dodecylamine، عامل دار نمودند و تاثیر عوامل مختلفی مانند : تاثیر قطر داخلی، غلظت H S و عامل دار شدن غشا بر گزینش پذیری و عبور آن مورد مطالعه قرار دادند. صفحات هگزاگونالی بور-نیتریدی - h-BN - یکی از نانوساختارهای ایزوالکترونیک با گرافن بوده و دارای ویژگیهای منحصربفردی می باشد. [6] صفحات h-BN - بورنیتریدی هگزاگونالی - یک ساختار تک لایه است که گرافن سفید نامیده می شود و از واکنش اسید بوریک و اوره در دمای بالا به دست می آیند که خواص مکانیکی قابل توجهی دارند. h-BN می تواند در مایعات ورقه ورقه شده و به عنوان یک غشای صاف مورد استفاده قرار گیرد. در این طرح از غشای صفحات هگزاگونالی بور-نیتریدی - h-BN - برای جداسازی مخلوط گازهای H و N استفاده می شود و از محاسبات شبیه سازی دینامیک مولکولی بهره می بریم. در شکل - 1 - نمایی از سیستمی که در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته نشان داده شده است.
.2 روش محاسباتی
شبیه سازی دینامیک مولکولی با برنامه یGULP برای اجرای یک سری عملکردهای متنوع برمبنای روشهای میدان نیرو طراحی شده است. در واقعGULP یک ابزار انعطفاف پذیر برای شبیه سازی نانوساختارها از طریق مدلهای پتانسیلی بین اتمی است. محققان برهم کنش های بین اتم ها را با استفاده از حرکات مولکولی با میدان نیرویی که دارای توپولوژی پیوندی ثابت هستند مانند AMBER OPLS ,CHARMو COMPASS به مدل سیستم کووالانسی ، مدلسازی می کنند. در این روش های مدلسازی مولکولی، پیوندها در ابتدای شبیه سازی تعریف می شوند و در طول فرایند شبیه سازی بودن تغییر باقی می مانند، زیرا تشکیل و شکست پیوند در بعضی سیستم های مولکولی می تواند مهم باشد مانند میدان نیروی Dreiding که در این کار استفاده شده است.
در این تحقیق گامهای زمانی برابر 0.5 fs می باشد و از الگوریتم انتگرالی روش نیم گام جهشی ورلت برای حل کردن معادله های حرکت نیوتن استفاده نموده ایم. متغیرهای انتخابی دما، حجم و تعداد ذرات در طول شبیه سازی ثابت بوده - مجموعه ی کانونیکال : - NVT، با استفاده از ترموستات نوز- هوور، دما در 300 K با سرعت توزیع ابتدایی گوسین ثابت نگه داشته شده است. حفره های مختلفی از نظر اندازه و ابعاد مدلسازی شده است که دو نمونه از آنها در شکل - 2 - به نمایش در آمده است.
