بخشی از مقاله
چکیده
زئولیتها به عنوان یک جاذب ایدهآل برای حذف آلاینده ها در نظر گرفته میشوند، زیرا دارای ظرفیت بارگیری مناسب و ساختار پایدار هستند. در این تحقیق با استفاده از شبیهسازی مولکولی جذب گاز دی اکسید کربن استفاده از زئولیت LTA - 5A-4A - مورد بررسی قرار گرفته است. زئولیت LTA شبیهسازی شده شامل 96 سیلیکات،96 آلومینیوم و 384 اتم اکسیژن است که به صورت سه بعدی در نظر گرفته شده است. پتانسیل استفاده شده در این کار شامل کولمبیک، لنارد جونز و باکینگهام است و اثرات آن بر شبیهسازی مورد بررسی قرار گرفته، علاوه بر این اثر فشار و دما بر میزان جذب بررسی شده و نتایج حاصل از شبیهسازی با دادههای آزمایشگاهی موجود در مراجع مقایسه شده است، نتایج شبیه سازی انجام گرفته روی زئولیت ها نشان میدهد.
کلمات کلیدی
زئولیت - LTA - 4A-5A ، شبیهسازی مولکولی، جذب سطحی.
-1 مقدمه
سوخت فسیلی بیش از 98 درصد از نیازهای انرژی در جهان را تامین میکند، با این حال احتراق سوختهای فسیلی یکی از منابع عمده آلاینده و گازهای گلخانه ای است. امروزه افزایش غلظت CO2 در هوا به دلیل مشکلاتی که ایجاد میکند مورد توجه قرار گرفته است که به تازگی از آن به عنوان دلیل گرم شدن کره زمین نام برده و گزارش شده 7 درصد از انتشار گازهای CO2 از احتراق زغال سنگ است.[1]بنابراین مطالعات نظری و علمی در رابطه با جداسازی این گاز که به تنهایی حدود %82 گازهای گلخانه ای را شامل میشود، به سرعت در حال افزایش است.
با توجه به حجم فعالیت های صنعت نفت و گاز و پتروشیمی در ایران، بررسی و به کار گیری روش های مرسوم و همچنین روش های جدیدبرای جداسازی کربن دی اکسید از جریان هوای گازی گوناگون مانند گاز دودکش امری ضروری است.[2] روش های متنوعی برای جداسازی کربن دی اکسید وجود دارد: جذب با حلال های - شیمیایی و فیزیکی - ، فرآیند جذب سطحی، فرآیند برودتی و غشایی . در این میان جذب سطحی با تناوب فشار به دلیل کارایی بالا و سادگی عملیات بسیار مورد توجه قرار گرفته است. [3 ] جذب کربن دی اکسید با استفاده از انواع جاذب مانند ،اکسید فلزی ، کربن فعال ، رس ها - طبیعی و سنتزی - ، نانو تیوپ ، اکسید فلزی ،سرامیک و زئولیت ها انجام شده است،
زئولیت ها عملکرد خیلی خوبی در جداسازی این گازها از خود نشان دادند.[ 4-3] زئولیت به عنوان یک جاذب برای حذف آلاینده ها دارای ظرفیت جذب خوب و ساختار پایدار میباشد که به صورت طبیعی و مصنوعی دردسترس هستند و دارای خواص ساختاری منحصر به فرد و نسبت سطح به حجم بالا و تخلخل زیاد هستند، همچنین دارای کاربرد های مهم در زمینه های مختلف از قبیل تبادل یونی - جداسازی - تجزیه، ملکولهای زیستی و بیولژیکی خالص، سنسور می باشند . [ 4-6] یانگ بوجی و همکاران تاثیر دما بر اکسید آلمینیوم در جذب سولفونیل آمید با شبیهسازی دینامیک ملکولی را بررسی نمودند به این نتیجه رسیدند که با افزایش دما مقدار جذب پایین می آید 303 <293<298 کلوین و تطبیق مناسبی بین ایزوترم جذب محاسبه شده با دادهای تجربی بدست آمده است. [7 ]
شبیهسازی ملکولی راه مستقیمی از ویژگی های میکروسکوپی یک سیستم - جرم اتم ها برهمکنشی آنها،ساختار مولکولی - به خواص ماکروسکپی و تجربی مورد نظر - معادلات حالت ، ضرایب انتقال ، پارامترهای ترتیب ساختاری - در اختیار ما قرار دهد. در این کار برای بررسی شبیه سازی میتوان دادههای بدست آمده را با دادهای آزمایشگاهی مقایسه کرد وامید است که راه حل بهتری به پژوهشگران پیشنهاد دهد. در این پژوهش با استفاده از شبیهسازی مولکولی جذب گاز دی اکسید کربن روی زئولیت LTA - 4A-5A - بررسی و اثر پارامترهای مهم از جمله ساختار ملکولی جاذب ، دما و فشار مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-2 مدلسازی
این پژوهش با استفاده از شبیهسازی مونتکارلو انجام شده است. مونتکارلو یک روش تصادفی و متکی بر پایه احتمالات است که برای شبیهسازی مایعات ، گازها ، انتقال بین سطوح و یا ساختار مختلف میتوان بدست اورد:
-1ایجاد یک ساختار برای آزمایش تصادفی -2 ارزیابی یک معیار پذیرش با محاسبه تغییر انرژی و خواص دیگر ساختار مورد ازمایش -3 مقایسه با یک معیار برای رد یا پذیرش ازمایش شبیهسازی شده.[9] تمام اتم و ملکول ها موجود در ساختار تحت تاثیر انرژی پتانسیل مورد استفاده هستند. تعادل و انرژی الکترواستاتیکی به روش Evald که در محاسبه تعادل انرژی بسیار دقیق عمل میکند صورت گرفت. شبیهسازی جذب گازها با استفاده از روش GCMC انجام شده است. اغلب در شبیهسازی ایزوترم جذب بکار می-رود، این امر به ویژه برای شبیهسازی سیستم مخلوط و سیستم همگن مناسب است. فشار لازم برای ارزیابی پتانسیل شیمیایی ملکول های جذب شده با استفاده از قانون گاز ایده آل محاسبه شده است. پتانسیل استفاده شده شامل کولمبیک - coulombic - ، لنارد جونز و باکینگهام که توانا و به فرم زیر هستند:
بین پارامتر رابطه معنا داری وجود دارد بدین معنی که با افزایش باعث افزایش انرژی تعامل که باعث کاهش لنارد-جونز - - L.J میشود و کاهش لنارد-جونز گسترش دامنه پذیرش که باعث افزایش درصد جذب میشود. علاوه بر این افزایش لنارد-جونز را افرایش میدهد و این افزایش باعث کاهش درصد جذب میشود. بر روی جاذب باعث پخش شدن یون در سطح و افزایش سطح ویژه فعال شده و یون کلسیم به علت کوچک بودن اندازه آن نسبت به سدیم سطح بیشتری را در جاذب فعال نموده و باعث افزایش جذب در سطح زئولیت شده.
-3 نتایج و بحث
جذب کربندیاکسید: در شکل ایزوترم جذب برای CO2 در زئولیت 4A در دمای 273-298 و در شکل ایزوترم جذب برای CO2 در زئولیت 5A در دمای298 را نشان میدهد و مقایسه آن با نتایج تجربی را نشان میدهد که نتایج تجربی 4A توسط یوسل و همکارش و 5A توسط یو وانگ و همکارانش بدست امده است-10] .[11 خطای موجود در شبیهسازی با توجه به مقاسیه اعداد و نمودارها بسیار ناچیز است، و این نشان دهندهی دقت بسیار مناسب شبیه سازی است. بازه فشاری0/0001 تا 100 کیلوپاسکال صورت گرفته است، در فشارهای بالا به دلیل نزدیک بودن میزان جذب به حالت اشباع، وابستگی جذب به فشار کاهش مییابد. در همهی دماها این امر صادق و نمایان است. میزان جذب تنها وابسته به فشار نیست و پارامترهای دیگری از جمله ساختار زئولیت و دما میتواند تاثیر گذار در میزان جذب باشند . [8] همانطور که در شکل پیدا است افزایش دما باعث کاهش در میزان جذب شده است. و میزان جذب در ساختارهای مختلف متفاوت است.
شکل 2 و 3 نمودارهای ایزوترم جذب کربن دی اکسید بر روی زئولیت را نشان میدهد. که به بررسی اثر دما روی جذب اشاره میکند. همانطور که مشخص است با افزایش دما به علت بالا رفتن انرژی گرمایی و در ادامه آن افزایش حرکات مولکولی ، توانایی و احتمال آن برای جذب شدن بر روی جاذب کاهش میابد. زیرا در دما های بالا مولکول فرصت زیادی برای قرار گیری در روی سطح زئولیت ندارند. به عبارت دیگر چون دما بالاست و در نتیجه سرعت انجام واکنش بالاتر است لذا مقدار کمی فرصت نشست روی زئولیت را خواهد داشت. در دمایی 343-323-298 کلوین روند افزایش میزان جذب با افزایش فشار نیز در تمامی زئولیت نشان داده شده است. با قیاس بین ایزوترم جذب زئولیت 4A و 5A متوجه میشویم که جذب کربن دی اکسید در زئولیت 5A بیشتر است میتوان بیان کرد که نشاندن یون
