بخشی از مقاله
چکیده: جداسازی یون های پرکلرات به عنوان آلاینده از محلول آبی، توسط غشاء گرافن اکسید عاملدار شده با فلوئور با روش شبیه سازی دینامیک مولکولی انجام شد. بدین منظور غشاء گرافن اکسید در محلول آبی شامل سدیم پرکلرات قرار گرفت. به منظور جداسازی یون ها از آب، فشار خارجی به سیستم اعمال شد و در اثر آن مولکول های آب از حفره تعبیه شده در غشاء عبور کردند. همچنین مشاهده شد که با افزایش شدت فشار اعمالی به سیستم، تعداد آب های عبوری از غشاء افزایش یافت. به منظور بررسی سیستم، دانسیته ی مولکول های آب در قسمت های مختلف جعبه شبیه سازی، تابع توزیع شعاعی، تعداد آبهای عبوری از غشاء و پروفایل دانسیته آب مورد بررسی قرار گرفت.
مقدمه
پرکلرات یک اکسیدانت الکتروشیمیایی قوی قابل انفجار در حالت جامد میباشد. بسیار محلول و تغییر پذیر و پایدار در آب است و به دو صورت طبیعی و مصنوعی یافت می شود.[1] پرکلرات میتواند اثر بهداشتی زیادی در انسان ایجاد کند. مهمترین اثر نامطلوب بهداشتی پرکلرات در دوزهای پایین با شکستن تعادل هورمون تیرویید ظاهر می شود. این اثرات مشابه اثراتی هستند که به وسیله کمبود ید ایجاد می شوند. در دوزهای بالا باعث اثرات نامطلوب بهداشتی دیگر مثل اختلال در سیستم گردش خون می شود. ورود پرکلرات به بدن باعث به هم زدن نظم متابولیسمی در بزرگسالان میشود، گرچه مشکلات و مسایل رفتاری آن برای کودکان و نوزادان بیشتر است.
این ترکیب به صورت گسترده در سفره های آب آشامیدنی وجود دارد و باعث ایجاد سمیت میشود. آلودگی آبهای زیرزمینی به پرکلرات اهمیت بیشتری نسبت به آلودگی خاک و دیگر منابع دارد به دلیل اینکه پرکلرات بسیار محلول در آب می باشد. بنابراین استفاده از روشهایی که بتواند غلظت آن را در آب و مواد غذایی در حد میکروگرم تعیین کند ضروری است.[2] اکسید گرافن میتواند به عنوان غشاء برای تصفیه آب استفاده شود به طوری که عملکرد آن بسیار بهتر از روشهای رایج خواهد بود.
محققان استرالیایی با استفاده از اکسید گرافن فیلتری ساختند که آب را با سرعت 9 برابر بیشتر از روشهای رایج تصفیه می کند.[3] پیش از این محققان از گرافیت برای این کار استفاده کرده بودند که به دلیل ضخیم بودن اثر بخشی اندکی داشته است.[6-4] این در حالی است که اکسید گرافن بسیار نازکتر از گرافیت است، بنابراین اثر بخشی آن بیشتر است، فلذا مولکول های آب به سادگی از میان اکسید گرافن عبور میکنند، درحالی که آلاینده های آب مانند پرکلرات ها درمیان این غشاء به دام می افتند. در روش شبیهسازی دینامیک مولکولی با استفاده از میانگین زمانی، کمیتهایی که با دینامیک مولکولی سیستم مرتبطاند را می توان محاسبه کند. بنابراین در این مطالعه سعی بر آن شد که با استفاده از این روش توانایی جداسازی یونهای پرکلرات از آب را مورد مطالعه قرار دهیم.
مراحل انجام شبیه سازی
ابتدا غشاء گرافن اکسید با یک حفره عاملدار شده توسط فلوئور در وسط آن با استفاده از نرمافزارهای جانبی با طول مناسب ایجاد شد و سپس ساختار هندسی آن با استفاده از روش تئوری تابع چگالی بهینه شد - شکل . - 1 در بخش شبیهسازی دینامیک مولکولی از نرمافزار [7] NAMD2 .11 جهت انجام شبیهسازیها بهره گرفته شد و برای آنالیز دادههای شبیهسازی نرم افزار [8] VMD1. 9.3 مورد استفاده قرار گرفت. ساختار نهایی سیستم شامل جعبه ای به اندازه ی80×30×30 Å3 است که شامل یک صفحه گرافنی در انتهای جعبه و یک غشاء گرافن اکسیدی که در وسط جعبه مورد نظر است و یون ها و مولکول های آب در یک طرف غشاء حضور دارند. شمای کلی سیستم در شکل 2 قابل مشاهده است.
شبیه سازی ها در سه مرحله انجام شد: در مرحله ی اول سیستم در دمای صفر درجه به تعادل رسید، در مرحله ی دوم افزایش دمای سیستم تا 298 درجه کلوین صورت گرفت و در مرحله ی سوم شبیه سازی دینامیک مولکولی برای مدت زمان 5 نانوثانیه در دمای 298 درجه کلوین تحت اعمال نیروی الکتریکی صورت گرفت. در طول مراحل دوم و سوم از ترموستات Langevin برای کنترل دمای سیستم استفاده شد. برای مطالعه سیستم مورد نظر از شرایط پریودیک در طول شبیه سازی استفاد شد. همچنین از روش [9] PME برای محاسبه برهمکنش های الکترواستاتیکی استفاده شد و فاصله قطع برای برهمکنش های واندروالسی 12 آنگستروم در نظر گرفته شد.
نتایج و بحث
در این مطالعه، از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی برای جداسازی یون های پرکلرات از آب توسط غشاء نانو ساختار گرافن اکسید عامل دار شده با فلوئور استفاده شد. به منظور جداسازی یون ها از عامل فشار به عنوان یک نیروی خارجی استفاده شد. برای بررسی سیستم، دانسیته ی مولکول های آب در نواحی مختلف جعبه شبیه سازی و نیز تعداد آب های عبوری در طول شبیه سازی تحت اثر فشارهای خارجی مختلف، مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است با افزایش شدت فشار اعمالی به سیستم، تعداد مولکول های آب عبوری از حفره تعبیه شده در مرکز غشاء گرافن اکسید افزایش یافته است و در عین حال به دلیل ممانعت فضایی هیچ یون پرکلراتی از حفره عبور نمی کند.
نحوه پراکندگی مولکول های آب در قسمت های مختلف جعبه شبیه سازی تحت فشارهای مختلف برای کل زمان شبیه سازی در شکل 4 - الف - نشان داده شده است. همان طور که مشاهده می شود، مولکول های آب در هر دو طرف غشاء گرافن اکسید در فاصله -3 5Å از آن تجمع یافته اند. دو پیک تیز در نزدیکی غشاء گرافن اکسید نشانگر این موضوع است. در ضمن همان طور که در پیک های سمت چپ این شکل مشاهده می شود، در فشار کم عبور مولکول های آب از حفره کم بوده - نمودار آبی - و با افزایش فشار اعمالی به سیستم، تعداد عبور مولکول های آب به تدریج افزایش می یابد - نمودار سیاه - ، که متعاقب آن، پیک سمت راست تیزتر می شود.
پارامتر دیگری که مبین این خاصیت مولکول های آب در سیستم هست، پارامتر تابع توزیع شعاعی است. ا ین تابع بیانگر احتمال یافتن یک مولکول در فاصله ی خاص از یک مولکول مرکزی اختیاری است که با g - r - نمایش داده می شود که r فاصله ی بین مولکولی است. در عمل می توان چنین بیان کرد که نمایانگر چگالی محلی مولکول ها در تعادل و در فاصله ی r از مولکول مرکزی است. شکل - 4ب - نشان دهنده ی تابع توزیع شعاعی بین اتم های اکسیژن آب در کل جعبه شبیه سازی - نمودار آبی - و در ناحیه نزدیک غشاء گرافن اکسید - قرمز - استهمانطور. که قبلاً اشاره شد، مولکول های آب در ناحیه نزدیک غشاء دارای تجمع غیر طبیعی هستند که به دلیل برهمکنش های واندروالسی بین مولکول های آب و اتم های غشاء می باشد.
