بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مدل سازي ترمودینامیکی جذب CO2 بر روي مایع یونی [hmim][Tf2N] با استفاده از معادله حالت PHSC

چکیده

تولید انرژي و همینطور حفظ طبیعت از مهم ترین مسائل مورد مطالعه در قرون اخیر می باشد. %80 انرژي مورد نیاز بشر از سوزاندن سوخت هاي فسیلی تأمین می شود. تحقیقات نشان می دهد که استفاده از این سوخت ها که منبع اصلی تولید گاز دي اکسید کربن نیز می باشد تا سال هاي آتی نیز ادامه دارد.دي اکسید کربن تولید شده از این سوخت ها اصلی ترین گاز گلخانه اي است که افزایش مقدار آن منجر به گرم شدن روزافزون زمین میشود. از این رو به نظر می رسد یافتن روشی مناسب براي جذب و ذخیره سازي دي اکسید کربن امري ضروري است. امروزه مایعات یونی که تحت عنوان حلال هاي سبز معرفی می شوند به دلیل خواص منحصر ب فردي که دارند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از جمله مهم ترین خصوصیات این ترکیبات، می توان به فراریت بسیار کم نسبت به حلال هاي آلی فرار مورد استفاده در صنعت اشاره کرد. پاك بودن و حلالیت بالاي گاز دي اکسید کربن در این ترکیبات عاملی براي استفاده از مایعات یونی به عنوان جاذب، براي جذب گاز دي اکسید کربن میباشد. در این مقاله جذب CO2 را بر روي مایع یونی [hmim][Tf2N] در چهار دماي مختلف 282، 297/3، 323 و 348/5 کلوین توسط معادله حالت اختلال یافته زنجیره کره سخت (PHSC EOS)

مدل سازي کرده ایم.

واژههاي کلیدي: دي اکسید کربن، جذب، مایعات یونی، معادله حالت

-1 مقدمه

در سال هاي اخیر، CO2 به عنوان یکی از اصلی ترین گازهاي گلخانه اي و همچنین یکی از عوامل اصلی تغییرات آب و هوا در مرکز توجه قرار گرفته است.سوزاندن سوخت هاي فسیلی ( گاز CO2 ذخیره شده از میلیون ها سال قبل را آزاد می کند)، قطع درختان جنگلی (موجب آزاد شدن دي اکسید کربن ذخیره شده در آن می شود) و فعالیت هاي بشر ( در فرآیند هاي شیمیایی) افزایش دي اکسید کربن موجود در جو را نتیجه می دهد.تحقیقات نشان می دهد که ارتباط غیر قابل انکاري بین افزایش دماي زمین و غلظت CO2 وجود دارد که این تغییر آب و هوا تهدیدي جدي براي سلامت و امنیت بشر محسوب می شود.از این رو دنیاي امروز به دنبال راهکاري براي حل این مشکل می باشد. نیاز ضروري براي کاهش انتشار دي اکسید کربن در کوتاه مدت احساس می شود. راه کارهایی طبیعی براي رسیدن به این هدف وجود دارد که می توان به چند مورد اشاره کرد :[1]

• کاهش انتشار CO2 به وسیله پیشرفت هاي تکنیکی و محدودیت هاي قانونی

• انبار فیزیکی و شیمیایی گاز

• تبدیل دي اکسید کربن به محصولات مفید

اما نکته کلیدي پیدا کردن راهکاري است که در تضاد با رشد اقتصادي، امنیت ملی و استانداردهاي زندگی نباشد.در راستاي رسیدن به این هدف روش هاي متعددي براي جذب و دخیره سازي دي اکسید کربن وجود دارد که ما در این جا به استفاده از مایع یونی تحت عنوان حلال سبز به عنوان جاذب اشاره میکنیم.

مایع یونی اصطلاحی است که عموما براي نمک هایی که مایعات پایداري را تشکیل می دهند استفاده می شود.عنوان هاي گوناگون دیگري مثل الکترولیت هاي مایع، سیالات یونی، نمک هاي مایع و غیره نیز براي نامیدن مایعات یونی استفاده می شود. نمک هاي آلی که در دماي زیر 100 درجه سانتی گراد به صورت مایع باشند را در این گروه قرار میدهند. ساختار مایعات یونی اغلب از یک کاتیون آلی غیر متقارن و بزرگ ( آمونیوم ،ایمیدازولیوم و یون پیریدینیوم) که با آنیونی متقارن تر از سایز کوچکتر ( ( [Cl]- , [Br]-, [I]- ,[BF 4]- ,[PF6-] ,[Tf2N]- ترکیب می شوند، تشکیل می شود.علی رغم بار قوي مایعات یونی،عدم تقارن این ترکیبات باعث می شود که ما آن ها را در دماهاي پایین به صورت جامد نبینم و آن ها را به صورت مایعات پایدار داشته باشیم و این دلیلی است که این ترکیبات در دماي پایین مایع می مانند.خواص کلیدي مایعات یونی آن ها را براي کاربردهاي مختلف داراي اهمیت می کند.فراریت کم،پایداري گرمایی و الکتریکی، هدایت یونی بالا، مایع بودن در گستره دمایی زیاد و حلالیت از جمله خواص مایعات یونی است که آن را از سایر حلال هاي آلی متمایز می کند.


یکی از کاربردهاي وسیع مایعات یونی جداسازي و جذب گاز دي اکسید کربن می باشد.تحقیقات نشان می دهد که جذب و جداسازي گاز CO2 از این جهت که حلالیت بیشتري نسبت سایر گازها در این دسته از مایعات دارد امري تضمین شده است. تغییرات دمایی و ساختار کاتیون و آنیون تشکیل دهنده مایع یونی از مهم ترین عوامل تأثیر گذار بر جذب دي اکسید کربن می باشد. بدین صورت که با تغییر کاتیون یا آنیون ترکیب باید انتظار جذب متفاوتی از مایع یونی داشت. همین طور در دماهاي بالا میزان جذب به مقدار قابل ملاحظه اي کاهش خواهد یافت.[2]در این مقاله میزان جذب دي اکسید کربن روي مایع یونی [hmim][Tf2N] را در 4 دماي مختلف 282، 297/3، 323 و 348/5 کلوین توسط معادله حالت اختلال یافته زنجیره کره سخت و کمک گرفتن از قانون تعادل فازها، که در آن شرط برابري پتانسیل هاي شیمیایی اجزا باید ارضا شود، به دست می آوریم.این معادله از سه پارامتر تشکیل شده که بر مبناي واحد سازنده پلیمر بوده و با بهینه سازي با استفاده از داده هاي PVT بدست می آید.در ادامه با مقایسه نمودارهاي تجربی و نظري بدست


آمده مشاهده خواهیم کرد که معادله حالت اختلال یافته زنجیره کره سخت به خوبی میزان جذب دي اکسید کربن را پیش بینی می کند.

-2 روش تحقیق

معادله حالت اختلال یافته زنجیره کره سخت به صورت زیر تعریف می شود که از دو ترم زنجیره هاي کره سخت [3] و
ترم اغتشاش [4] تشکیل شده است.

در رابطه بالا T دماي مطلق، P فشار، ρ = VN دانسیته عددي، kB ثابت بولتزمن، d+ قطر کره سخت و g(d+) تابع توزیع شعاعی جفت کره هاي سخت در تماس با هم می باشند. سه پارامتر بر مبناي واحد سازنده پلیمر در معادله (1) ظاهر شده است که عبارت اند از: r تعداد واحدهاي سازنده مولکول، a نیروهاي جاذبه بین واحدهاي سازنده غیرپیوندي و b معادل حجم کنار گذاشته واندروالسی می باشد. پارامترهاي a و b تابع دما هستند و براي محاسبه آن ها از روابط زیر استفاده می شود :[5]

در روابط بالا، عمق چاه انرژي پتانسیل جفتی می باشد و فاصله بین مراکز این جفت واحد سازنده، در جایی که انرژي
پتانسیل معادل می باشد، است. Fa و Fb توابع کلی از دمايσکاهش یافته هستند که سانگ و همکارانش در سال 1996 با
استفاده از خصوصیات ترمودینامیکی و مولکول هاي کروي مانند آرگون و متان، تخمینی از مقادیر آن را ارائه دادند :[6]
 

گسترش معادله (1) براي حالت مخلوط آن را به رابطه زیر تبدیل می کند :[4]



که در آن xi=Ni⁄N کسر مولی جز i، ri تعداد کره هاي سخت جز i ، gij(dij+) تابع توزیع شعاعی جفت ij مخلوط کره هاي سخت در تماس با هم می باشند.مقدار gij(dij+) توسط بوبلیک و منصوري و همکارانش ارائه شده است:



کسرانباشتگی ماده خالص _(دانیسته کاهش یافته)و کسرانباشتگی مخلوط میباشد وبه صورت زیر تعریف میشود:


دوپارامتر برای مخلوط به شکل معادله های زیر در می آید.



Kij در رابطه بالا پارامتر بر هم کنش دوتایی و یک پارامتر قابل تنظیم است که براي هر جفت از اجزا در مخلوط و با استفاده از روش هاي بهینه سازي محاسبه می شود
اگر در رابطه هاي بالا به جاي مبناي تعداد مولکولی از مبناي تعداد بخش استفاده کنیم رابطه هاي ما به روابطی بر مبناي کسر حجمی تبدیل می شوند :[4]


در حالت تعادل سیستم هاي چند جزئی پتانسیل شیمیایی هر جز باید در تمام فازها برابر باشد. به عبارت دیگر شرط تعادلی سیستم برابري پتانسیل شیمیایی در تمام فازها است
رابطه مناسب براي پتانسیل شیمیایی از مشتق گیري انرژي آزاد هلمهولتز به دست می آید:



انرژي آزاد هلمهولتز بصورت زیر بیان می شود:

جایگزینی معادله (14) در رابطه (19) انرژي هلمهولتز براي مخلوط را به صورت زیر نتیجه می دهد:


به صورت زیر حساب می شوند: ثوابت انتگرال گیري موجود در روابط (21) و (22)

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید