26098

مطالعه رفتار جريان آب در مجاورت نانولوله هاي كربن با تكيه بر كاربرد در غشاء

دكتري

مهندسي مكانيك

1394

1400/11/18

دكتر حجت قاسمي

مهندسي مكانيك

نرخ جريان آب در نانولوله‌ كربن چندين مرتبه بيش از مقدار پيش‌بيني شده نظري مي‌باشد. اين ويژگي باعث شده است نانولوله‌هاي كربن داراي پتانسيل ويژه‌اي براي كاربرد در غشاي نمك‌زدايي باشند. مطالعه رفتار آب در مجاورت اين نانوساختارها در پيش‌بيني عملكرد و طراحي غشاء اهميت دارد. از آنجا كه غالب پديده‌هاي تعريف كننده رفتار يك غشاء نمك‌زدايي، در مقياس نانومتر رخ مي‌دهند؛ مطالعه اين پديده‌ها بايد در ابعاد مولكولي انجام گيرد. در غياب روش‌هاي تجربي، روش ديناميك مولكولي به‌عنوان بهترين گزينه مطرح است. در كنار مطالعه رفتار مولكول‌هاي آب در مقياس نانو، آنچه كمتر در اين روش مد نظر بوده است، ايجاد يك مدل عددي و واقع‌بينانه براي مقايسه با نتايج تجربي است. هدف نهايي اين پژوهش، ايجاد ارتباط بين داده‌هاي نظري خروجي ديناميك مولكولي و داده‌هاي آزمايشگاهي از نرخ جريان آب مي‌باشد. در اين راه، ابتدا جريان آرگون در نانولوله كربن با استفاده از پتانسيل لنارد-جونز مطالعه شد. نرخ جريان آرگون با افزايش قطر نانولوله به‌صورت يكنوا افزايش پيدا نمي‌كند. علت اين پديده، تغييرات غيرقابل پيش‌بيني فاصله اتم آرگون با ديواره كربني در نانولوله‌هايي با قطر بسيار كم است. تغييرشكل نانولوله كربن به‌عنوان يكي از تفاوت‌هاي مطالعه نظري و آزمايش تجربي مورد نظر قرار گرفت. براي مدل‌سازي تغييرشكل از پتانسيل Tersoff استفاده شد. ميدان نيروي TIP3P براي مدل‌سازي جريان آب مورد استفاده قرار گرفت. رفتار نرخ جريان با ميزان و چگونگي تغييرشكل نانولوله كربن مطالعه شد. پارامترهاي پتانسيل‌هاي آرگون و آب توسط تابع توزيع چگالي شعاعي صحت‌سنجي شدند. نشان داده شد كه حضور يون‌هاي محلول در آب، تأثير قابل ملاحظه‌اي بر نرخ جريان آن ندارد. با شناخت تابعيت نرخ جريان آب از قطر، طول، اختلاف فشار، خميدگي و خروج از مركز نانولوله كربن، تصوير كامل غشاء شكل گرفت. نرخ جريان كل غشاء با نرخ جريان اندازه‌گيري شده تجربي مقايسه شد. اختلاف حدود 6 درصدي نشان داده مي‌دهد همسويي مناسبي بين اين دو وجود دارد. با استفاده از تحليل انتشار عدم قطعيت، ميزان عدم قطعيت موجود در نرخ جريان محاسبه شده با ديناميك مولكولي برابر با 46 درصد بدست آمد.

1400/11/30

Studying water flow behaviour in carbon nanotubes with emphasis on application in membranes

2/7/2023 12:00:00 AM

Understanding the water flow rate in carbon nanostructures has significant applications in theoretical comprehension and engineering design of microscale and nanoscale devices. In this work, a complete numerical model of a Carbon NanoTube (CNT) membrane is presented, to predict the total water flow rate. Results of this model can be especially useful in prediction of performance and design of CNT membranes for water desalination, which hold the promise of extraordinary fast flow transport. Geometrical properties effective in determination of total flow rate are quantized by studying the CNT membranes characteristics. In addition to diameter and length, non-ideal parameters were studied, too, which are normally associated with deformation of CNTs from their pristine structures. In this regard, eccentricity and bending were shown to have limited but non-negligible effect on flow rate through CNTs. A simple model is developed to characterize the membrane based on statistical data related to CNT synthesis. The total water flow rate results showed that the currently available numerical model is adequately close to the reported experiment values.

ديناميك مولكولي , نانولوله كربن , نمك زدائي , آرگون , نرخ جريان , غشاء

Desalination , Molecular dynamics , Carbon nanotube , Argon , Flow rate , Membrane

محمد رضايي

محمد رضايي