27932

شبيه سازي مولكولي جذب سطحي گاز توسط نانو لوله هاي كربني تك جداره

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1398

1401/06/30

دكتر احد قائمي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين تحقيق به ‌شبيه‌سازي جذب گازهاي نيتروژن، اكسيژن، هيدروژن، كربن دي‌اكسيد، كربن مونوكسيد و متان بر روي نانولوله‌هاي كربني تك ديواره‌ي SWCNT(6,5)، SWCNT(7,4)، SWCNT(7,5)، SWCNT(7,6)، SWCNT(8,3)، SWCNT(8,4)، SWCNT(9,1)، SWCNT(9,3)، SWCNT(9,6)، SWCNT(10,1)، SWCNT(10,5)، SWCNT(12,1)، SWCNT(12,4)، SWCNT(20,5)، SWCNT(21,7)، SWCNT(22,18)، SWCNT(8,8)، SWCNT(14,14) و SWCNT(20,20) به روش مونت كارلو در هنگرد كانوني بزرگ در شرايط عملياتي متفاوت پرداخته شده و اثر دما، فشار، قطر و ساختار نانولوله بر روي ميزان و انرژي جذب و گرماي ايزوستريك جذب بررسي شده است. همچنين ‌شبيه‌سازي جذب مخلوط‌هاي دو جزئي نيتروژن/اكسيژن با نسبت مولي 4/1، نيتروژن/كربن دي‌اكسيد با نسبت مولي 4/1 و متان/كربن دي‌اكسيد با نسبت مولي 9/1 بر روي جاذب‌هاي مذكور در شرايط عملياتي مختلف انجام شده و انرژي و گرماي ايزوستريك جذب، تابع توزيع انرژي و ميدان جذب ارائه شده است. همچنين اثر نقص در ساختار نانولوله مورد بررسي قرار گرفته و فاصله تعادلي و سايت‌هاي فعال جذب براي جذب كربن دي‌اكسيد بر روي نانو لوله‌هاي SWCNT(8,8)، SWCNT(14,14) و SWCNT(20,20) و همچنين نمودار انرژي برحسب فاصله براي گازهاي مذكور بر روي نانولوله SWCNT(14,14) ترسيم شده است. نتايج نشان مي دهد كه با افزايش فشار و كاهش دما، شدت جذب افزايش و به تبع آن انرژي جذب و متوسط گرماي ايزوستريك جذب كاهش مي يابد. براي مولكول‌هاي متقارن و غيرقطبي فاقد پيوند هيدروژني مي توان با صرفنظر كردن از ترم‌هاي الكتروستاتيكي و هيدروژني صرفا با درنظر گرفتن برهمكنش‌هاي واندروالسي با دقت قابل قبولي به سايت‌هاي فعال و فاصله تعادلي جذب دست يافت. نتايج ‌شبيه‌سازي جذب مخلوط‌هاي دو جزئي مذكور نشان داد كه نانولوله‌هاي كربني انتخاب پذيري مناسبي براي اكسيژن و كربن دي‌اكسيد نسبت به نيتروژن دارند و مي توانند جهت جداسازي اين مخلوط ها مورد استفاده قرار گيرند. اما اين جاذب ها انتخاب پذيري مناسبي براي كربن دي‌اكسيد نسبت به متان ندارند و جهت جداسازي اين مخلوط پيشنهاد نمي شوند.

1401/12/02

Molecular Simulation of Gas Adsorption in Single-Wall Carbon Nanotubes

9/21/2023 12:00:00 AM

In this work adsorption of N2, O2, H2, CO2, CO, and CH4 on Single-Wall Carbon Nanotube (SWCNT) structures: SWCNT(6,5), SWCNT(7,4), SWCNT(7,5), SWCNT(7,6), SWCNT(8,3), SWCNT(8,4), SWCNT(9,1), SWCNT(9,3), SWCNT(9,6), SWCNT(10,1), SWCNT(10,5), SWCNT(12,1), SWCNT(12,4), SWCNT(20,5), SWCNT(21,7), SWCNT(22,18), SWCNT(8,8), SWCNT(14,14), and SWCNT(20,20) have been studied. We used the molecular simulation technique by Grand Conical Monte Carlo (GCMC) to anticipate energy and interactions in single and multi-component gas systems. The effect of temperature, pressure, the diameter of the Carbon Nanotube (CNT), and CNT structure on adsorption energy and isosteric heat of adsorption have been studied. Also, in several operational conditions, binary mixtures N2/O2, N2/CO2, and CO2/CH4 on SWCNT (22, 18) has been simulated, and adsorption energy, isosteric heat, energy distribution, and adsorption fields have been achieved. Moreover, the effect of structural defects in CNT on the isosteric heat and adsorption field has been studied. In this work, Universal Force Field (UFF) and Lennard-Jones (LJ) potential have been applied in GCMC simulation. Energy vs. distance and the most stable state for adsorption of N2, O2, H2, CO2, and CH4 on SWCNT(14,14) and CO2 adsorption on SWCNT(8,8), SWCNT(14,14), and SWCNT(20,20) have been estimated. We comprehend that when pressure increase and temperature decrease, the rate and capacity of adsorption will increase, but adsorption energy and the average of isosteric heat will decrease. Likewise, resigning electrostatic and H-bonding interactions for non-polar and symmetrical gas molecules without H-bonding will reduce running time and approach acceptable results. Also, we found that CNTs with smaller diameters are better for air separation.

جذب سطحي گاز , نانولوله كربني , جداسازي هوا , شبيه سازي مولكولي , مونت كارلو

Gas Adsorption , Carbon Nanotube , Air Separation , Molecular Simulation , Monte Carlo

Milad Molaee

Ahad Ghaemi