25154

بررسي پارامترهاي مؤثر بر تراوايي و نمك‌زدايي آب در غشاي نانو متخلخل گرافن

كارشناسي ارشد

فناوري نانو

97

1400/2/8

دكتر صادق صادق زاده و دكترآسيه السادات كاظمي شيخ شباني

فناوريهاي نوين

بحران كمبود آب در بيش از 43 كشور جهان خود را به‌شدت نشان داده است. قرارگيري كشور ما در محدوده‌ي نيمه‌خشك كره‌ي زمين و داشتن بارش سالانه‌ي كمتر از يك‌سوم ميانگين جهاني، شرايط را براي كشور ما بيش‌ازپيش بحراني كرده است. يكي از راه‌هاي كنترل اين شرايط شيرين سازي آب درياست. از ميان انواع روش‌ها جهت شيرين سازي آب، فناوري اسمز معكوس و استفاده از غشاهاي نوين مبتني بر مواد دوبعدي مانند گرافن، مي‌تواند با صرف هزينه‌ي كمتر و بازدهي بالاتر اين بحران را به سمت مديريت هوشمند سوق دهد. به همين منظور در اين پايان‌نامه غشاي تك لايه‌ي گرافني در محيط نرم‌افزار كامسول (COMSOL Multiphysics) با شكل‌هاي مختلفي از آرايش هندسي منظم و تصادفي حفرات شبيه‌سازي شد و پارامترهاي مؤثر از قبيل فشار ورودي سيال، تعداد حفرات غشا، فاصله‌ي حفرات، قطر حفرات، وجود حفره‌ي مركزي و تأثير اين عوامل در رفتار سيالاتي و مكانيكي در غشا مطالعه شد. نتايج به دست آمده نشان مي دهد كه افزايش قطر حفرات ،تعداد حفرات و كاهش فاصله‌ي جانبي حفرات از يكديگر و همچنين تمركز تعداد حفرات در مركز غشا باعث افزايش پارامترهاي مكانيكي مي‌شود. در مقايسه رفتار سيالاتي و مكانيكي براي آرايش‌هاي منظم و تصادفي مشخص شد آرايش منظم رفتار مناسب تر سيالاتي و آرايش تصادفي، رفتار مناسب تر مكانيكي با كاربرد در نمك زدايي را نشان مي دهند. ذرات با مشخصات يون‌هاي سديم در محيط رديابي ذرات فعال شدند و با مطالعه وابسته به زمان رديابي ذرات، ميزان اثر بخشي آرايش منظم و تصادفي حفرات در عبوردهي آب و پس زني نمك بررسي شد. مشخص شد توزيع حفرات در سراسر غشا و عدم وجود حفره‌ي مركزي باعث افزايش نرخ پس‌زني نمك مي‌شود. واژه‌هاي كليدي: گرافن نانو متخلخل، غشا، نمك‌زدايي، شبيه‌سازي، كامسول.

1400/06/07

Investigation of parameters affecting water permeability and desalination in graphene nanoporous membrane

1/1/1900 12:00:00 AM

Water crisis has already raised in more than 43 countries across the globe. Iran with semi-arid climate and less than one third of the annual rainfall, is in the middle of this crisis. One way to overcome this is to desalinate seawater. Using reverse osmosis (RO) supplied with novel membranes based on 2D materials such as graphene among all other methods for water desalination, may be a smart way to manage this crisis by reducing the capital costs and increasing the efficiency of the desalination plants. Thus, single layer graphene membrane with different ordered and random nanopore geometries was simulated by COMSOL Multiphysics software. Parameters such as input pressure of the fluid, number of nanopores, distance of the nanopores, the diameter of the nanopores and presence of a centre nanopore across the membrane were explored and their effectiveness on the membrane mechanical and fluidical behavior were studied and optimized. It was demonstrated that the increase in nanopore diameter, increase in number of pores, decrease in the spacing between the pores and centralizing the pores can result in better mechanical performance of the membranes. Comparing mechanical and fluidical behaviour of ordered and random nanopore geometries, it was shown that ordered geometries could potentially result in better fluidical performance and random geometry could potentially result in better mechanical performance of the membranes. Particles with characteristics of NaCl ions were then applied in time dependent particle trajectory field and the effectiveness of ordered and random nanopore arrangements were evaluated in water permeation and salt rejection. It was demonstrated that the dispersion of nanopres across the membrane area and away from the center could increase the salt rejection. Keywords: Graphene Nanoporous, Membrane, Desalination, Simulation, Comsol.

گرافن نانو متخلخل , غشا , نمك زدايي , شبيه‌سازي , كامسول

Graphene Nanoporous, , Membrane , Desalination , Simulation , Comsol