بخشی از مقاله
چکیده
این پژوهش با استفاده از شبیهفسازي مونتفکارلو انجام شده استچفمونتفکارلو یک روش تصادفی و متکی بر پایه احتمالات استچفزئولیتفها مواد جامد کریستالی نانو متخلخل با منافذ یکنواخت و در محدودهفي0.2 - 0.3فنانومتر با داشتن ساختار سفت سخت تعریف شده است، جذب گازآمونیاك و بخار آب با استفاده از زئولیت LTA فمورد بررسی قرار گرفته استچ فزئولیت LTA فشبیهفسازي شده شامل ذش فسیلیکات،ذشف آلومینیوم و تهمفاتم اکسیژن است و شامل هفسلول میفباشد که به صورت سه بعدي درفنظر گرفته شده استچفبررسی ایزوترم جذب NH3فو
H2Oاز این میدان نیرو فCompass فاستفاده میشود اثر فشار و دما بر میزان جذب بررسی شده و نتایج حاصل از شبیهفسازي با دادههايآزمایشگاهی موجود در مراجع مقایسه شده استچفدر دماي ثابت، افزایش فشار باعث افزایش در جذب میفشود و با افزایش فشار اثر فشار در جذب کمتر میفشود، نتایج نشان میفدهد که تاثیر سطح و فضاي داخلی زئولیت ها بر مقدار جذب به اندازه تاثیر دما و فشار است.
کلمات کلیدي فزئولیت 4A-5A ، شبیهفسازي مونت کارلو ، جذب
-1 مقدمه
سوخت فسیلی بیش از هشفدرصد از نیازهاي انرژي در جهان را تامین میکند، با این حال احتراق سوختهاي فسیلی یکی از منابع عمده آلاینده و گازهاي گلخانه اي است.امروزفه افزایش غلظت آلاینده ها در هوا به دلیل مشکلاتی که ایجاد میفکند مورد توجه قرار گرفته است که به تازگی از آن به عنوان دلیل گرم شدن کره زمین نام برده میفشود[1]چفآمونیاكپNH3ژفسومین ترکیب نیتروژن دار فراوان بعد از گاز قلیایی در اتمسفر است، که با گونه هاي اسیدي و خنثی موجود در جو واکنش میدهد، تاثیر آمونیاك و آمونیوم در محیط زیست باعث تشکیل باران اسیدي، ایجاد خوردگی، اسیدي شدن آب انبارها ، تغییر تعادل تابش جهانی در جو وکاهش دید اتمسفري از طریق پراکندگی نور میفباشد، به دلیل نقش پیچیده آمونیاك حذف این آلاینده یک کار قابل توجه و ضروري در زمینه آلودگی هوا است. ]فهنم[
براي از بین بردن آلاینده ها روش هاي متنوعی وجود دارد از جمله استفاده از کاتالیزور،کربن فعال و روش جداسازي مانند جذب با حلالپففیزیکی و شیمیایی ژ، فرایند جذب سطحی، فرایند برودتی غشایی را میتوان نام برد که در این میان جذب سطحی به دلیل کارایی بالا و سادگی عملیات بسیار مورد توجه قرار گرفته است]تنز[چجذب آلاینده ها با استفاده از انواع جاذب مانند ،اکسید فلزي ، کربن فعال ، رس هاپطبیعی و سنتزيژ، نانو تیوپ ، اکسیدفلزي ،سرامیک و زئولیت ها انجام شده است، فزئولیت فها عملکردخیلی خوبی در جداسازي این گازها از خود نشان دادند]ه[چزئولیت LTAفآبدوست میباشد و به عنوان جاذب مناسبی براي حذف رطوبت در نظر گرفته شده است، این زئولیت داراي پتانسیل بالایی براي کاهش رطوبت در جریان هاي گازي هستندچفمولکولفهایی که براي نفوذ به درون زئولیتفها به اندازه کافی کوچک باشند، میفتوانند بر روي زئولیتفها جذب شوند.
فاینفمساله بهفویژه در مورد آب و سایر مولکولفهاي قطبی و نیمه قطبی کوچک صدق میفکند و اساس کاربرد این مواد به عنوان خشک کننده یا تمیز کننده براي گازهایی نظیر گاز طبیعی یا هوا قبل از مایع شدن را تشکیل میفدهدچف به علاوه از زئولیتفها براي خارج نمودن آب از مدارهاي بسته مایع پمثلا در واحدهاي منجمد سازي جهت جذب آب و جذب حلال باقی مانده در فضاي بین شیشهفپنجرهفهاي دوجداره به منظور جلوگیري از چگالشژ فنیز استفاده میشودچ فعلاوه بر خروج آب، زئولیتفها بصورت صنعتی جهت خارج کردن دي اکسید کربن، سولفید هیدروژن، مرکاپتانها و فاز مخلوطفهاي گازي نیز مورد استفاده قرار میفگیرندچ]شنحل[چیانگ بوفجی و همکاران تاثیر دمافبر اکسید آلمینیوم در جذب سولفونیل آمید با شبیهفسازي دینامیک ملکولی را بررسی نمودند.
به این نتیجه رسیدند که با افزایش دما مقدار جذب پایین میآید هشه<مشه< فمحم فکلوین و تطبیق مناسبی بین ایزوترم جذب محاسبه شده با دادهاي تجربی بدست آمده است[10]چ فچین و همکاران با بررسی ساختار زئولیت فو تاثیر دما ، فشار مختلف در جذب نیتروژن و کربن دي اکسید روي زئولیت FAUففبا استفاده از شبیه ساز مونتفکارلو و تطبیق نتایج با دادهاي تجربی کار خود را شرح دادند]لل[چشبیه ساز راه حل یا دیدگاه بهتر به آزمایشگران تجربی پیشهاد میفدهد که به توصیف نتایج جدید کمک کندچفدر این تحقیق با استفاده از شبیهفسازي مولکولی جذب گازها آمونیاك روي زئولیت ف4A-5A فبررسی و اثر پارامترف هاي مهم از جمله ساختار ملکولی جاذب ، دما و فشار موردفارزیابی قرار گرفته است.
-2 مدلسازی
این پژوهش با استفاده از شبیهفسازي مونتفکارلو انجام شده استچف مونتفکارلو یک روش تصادفی و متکی بر پایه احتمالات است که براي شبیهفسازي مایعات ، گازها ، انتقال بین سطوح و یا ساختار مختلف میتوان بدست اورد لنفایجاد یک ساختار براي آزمایش تصادفی فف هنف فارزیابی یک معیار پذیرش با محاسبه تغییر انرژي و خواصدیگر ساختار مورد ازمایش فف منففمقایسه با یک معیار براي رد یا پذیرش ازمایش شبیهفسازي شده]هل[میزان مادة جذب شده در نانوزئولیت تابعی از دما و فوگاسیته گاز است که در تمام شبیه سازي ، ثابت درنظر گرفته می شود . مبناي شبیه سازي بر سه حرکت ایجاد، حذف و انتقال یک مولکول با احتمال برابرقرار دارد .هریک از حرکات مولکول ها با یک بردار تصادفی ایجاد می شود .تمام حرکت هاي مونت کارلو با قانون متروپولیس پذیرفته یا رد می شوند .
براي پذیرفتن یا رد این حرکت ها، از جهت گیري انرژي به سوي مقدار کمینه استفاده میشود]فهل[چف تعداد مراحل مونت کارلو براي هر شبیه سازي ححلهزار مرحله در نظر گرفته اند که معمولاً زل درصد آن براي شرایط تعادل است .در هر مرحله، به تعداد مولکول هاي آمونیاك و آب جذب شده - حداقل حه - حرکت تصادفی ایجاد می شود.فتمام اتم و ملکول ها موجود در ساختار تحت تاثیر انرژي پتانسیل مورد استفاده هستندچ فتعادل و انرژي الکترواستاتیکی به روش Evald فکه در محاسبه تعادل انرژي بسیار دقیق عمل میفکند صورت گرفتچ فشبیهفسازي جذب گازها بااستفاده از روش GCMC فانجام شده استچفشار لازم براي ارزیابی پتانسیل شیمیایی ملکول هاي جذب شده با استفاده از قانون گاز ایده آل محاسبه شده است .
محاسبه انرژي پتاسیل اتم بر اساس واندروالس با فاصله مچل فنانومتر انجام شده و روش Evald فبا دقت لحححچحفبراي انرژي پتانسیل الکترواستاتیکفمورد استفاده قرار گرفته استچ فبراي دستیابی به تعادل در شبیهفسازي و خواص مورد نیاز و تجزیه تحلیل داده ها با دقت مرحله استفاده شده استچ فزئولیت هاي که براي مقایسه با دادهاي تجربی مورد استفاده قرار گرفته یکسان استچ فپتانسیل استفاده شده در این که شامل کولمبیک - coulombic - ، لنارد جونز و باکینگهام که توانا و به فرم زیر هستند.مجموعه مختلفی در زمینه نیرو براي شبیهفسازي در نظر گرفته شده است، که اجازه حرکت ذرات، تغییر حجم جعبه و انتقال ذراتف بین جعبه را می دهدچفهمه جواب ها و پارامترها با استفاده از آزمون خطا بدست آمده است و بررسی آنها و تطبیق داده ها با نتایج تجربی در دسترس است.
-3 نتایج و بحث
زئولیتفها مواد جامد کریستالی نانو متخلخل با منافذ یکنواخت و در محدودهفي0.2 - 0.3فنانومتر با داشتن ساختار سفت سخت تعریف شده هستندچفزئولیت مورد مطالعه LTAف مطابق شکل لفداراي ابعاددر زئولیت پ4A-5AژLTA فدر دماهاي هشهنمهمنفمتم فکلوین محاسبه و نتایج بدست امده از شبیهف سازي با دادهاي تجربی مورد مقایسه قرار گرفته استچ فبا توجه به معادله پلژ فبین پارامتر ف رابطه معنا داري وجود دارد بدین معنی که با افزایش ف فباعث افزایش انرژي تعامل که باعث کاهش لناردنجونزپL.Jژ فمیفشود و کاهش لناردنجونز گسترش دامنه پذیرش فکه باعث افزایش درصد جذب میفشودچفعلاوه بر این افزایشپ ژفلناردنجونز را افرایش میدهد و این افزایش باعث کاهش درصد جذب میفشود.
.1جذب آمونیاك روي زئولیتف
براي بررسی ایزوترم جذب NH3فاز این میدان نیرو فCompassف استفاده میشودچ فشکلل فایزوترمهاي شبیهفسازي شده براي جذب NH3فروي زئولیت 4Aفدر دماهاي 323،298فنمتمفکلوین و شکلمف ایزوترمهاي شبیهفسازي شده براي جذب NH3 فروي زئولیت 5A فدر دماهاي هشه ف فکلوین را نشان میدهدچ فنتایج شبیهسازي با نتایج تجربی که توسط هیلمینی و همکاران بدست امده است] فملنفتلنف زل[فمقایسه شده استچفهمانطور که در شکل لو مففمشاهده میشود بین نتایج شبیهسازي و دادههاي تجربی تطابق نسبتا خوبی وجود دارد اختلاف موجود بین نتایج شبیه سازي وآزمایشگاهی میتواند دلایل زیادي داشته باشد.
نانو زئولیت مورد استفاده در شبیه سازي یک ساختار ایده آل و فقط متشکل از اتم سیلیس استچ فولی نانو زئولیت آزمایشگاهی خالص نیست و علاوه بر سیلیسیم و آلمینیوم کاتیون هاي دیگري نیز دارد که میتوان مهمترین علت اختلاف موجود نتایج باشد، و این نشان دهنده دقت مناسب شبیهفسازي است، شبیهفسازي در بازه فشاريلحححقحفتا ححل کیلوپاسکال صورت گرفته است. و همانطور که در شکل هاي ایزوترم جذب مشخص است افزایش فشار باعث افزایش در جذب میفشودچ فدر فشارهاي بالا به دلیل نزدیک شدن جذب به حالت اشباع، اثر فشار تعدیل میگرددچف این روند در همهفي دماها این امر صادق استچفدر شکللفاز فشار حتف کیلوپاسکال به بعد شیب نمودار به شدت کاهش یافته است دلیل این امر پر شدن ظرفیت حفرات در فشار بالا است.
نمودار ایزوترم جذب آمونیاك براي زئولیت هاي 4A-5Aفدر مف دما از هشهفتا متمفکلوین و فشار لححچحفتا ححزفکیلوپاسگال شبیه سازي شده است، در شکل هنتنزفارائه شده اندچفاز نمودار ها مشهود است که با افزایش دما کاهش میزان جذب را داریمچفکه این الگو براي تمامی قابل مشاهده استچ فهمانطور که قبلا ذکر شد فرآیند جذب کاملا خود به خودي استچ فبنابراین تغییرات انرژي آزاد منفی است پ∆G>0ژ فبه علت اینکه مولکول هاي جذب شونده درجات آزادي انتقالی را هنگامی که به سطح جذب میفرسند از دست میفدهند در نتیجه تغییرات آنتروپی در هنگام فرآیند جذب معمولا منفی است بنابراین با توجه به منفی بودن تغییرات انرژي آزاد، تغییرات آنتالپی باید به اندازه کافی منفی باشدآنچنان که ∆G فپG= ∆H-T∆S<0 ∆ژ فمنفی شودچپس فرآیند جذب گرما زافاستچو زمانی که دما زیاد میشود در جهت عکس پیشرفته و جذب کاهش خواهد یافتچبا افزایش فشار نیز افزایش میزان جذب را مشاهده میکنیم که در طول تمام شبیه سازي قابل مشاهده استچ فبا قیاس بین ایزوترم جذب
