27994

بررسي تأثير هندسه نانو كانال بر رفتار انتقال يون با رويكرد توليد انرژي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1399

1401/11/30

سيد نظام الدين اشرفي زاده

مهندسي شيمي

توليد انرژي يكي از چالش‌هاي مهم و اساسي حال حاضر است و با توجه به محدود شدن استفاده از سوخت‌هاي فسيلي، يافتن منابع جايگزين انرژي به يكي از داغ‌ترين موضوعات تحقيقاتي براي محققان تبديل شده است. يكي از جديدترين روش‌هاي توليد انرژي، استفاده از اختلاف غلظت منابع مختلف آبي است. زماني كه دو سيال با اختلاف غلظت در دو سمت يك غشا نانو كانال قرار داشته باشند به واسطه انرژي حاصل از اختلاط سيالات قادر به توليد انرژي هستند. با توجه به هزينه‌ها و محدوديت‌هاي مطالعه تجربي اين سامانه‌ها، شبيه‌سازي جهت يافتن حالت‌هاي بهينه و مطالعه رفتار اين سامانه‌ها امري ضروري مي‌باشد. در اين پژوهش به بررسي تأثير هندسه نانو كانال بر رفتار انتقال يون با رويكرد توليد انرژي پرداخته شده است. براي اين كار هندسه‌هاي متقارن (استوانه‌اي) و نامتقارن (گلوله‌اي، شيپوري، سيگاري، ساعت شني و تپه‌اي) استفاده شد. در اين هندسه‌ها با اتخاذ يك رويكرد محاسبات عددي به روش المان محدود، براي معادلات پواسون-نرنست-پلانك و ناوير-استوكس در حالت پايا تأثير هندسه‌هاي مختلف، نسبت غلظت و دانسيته بار لايه‌ي نرم بر توليد انرژي با در نظر گرفتن اثر جدايش يوني در سطوح نرم مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه: بهترين هندسه در نسبت غلظت‌هاي پايين و بالا به ترتيب جهت ايجاد بيشترين جريان اسمزي (استوانه‌اي، سيگاري)، عدد انتقال (ساعت شني، شيپوري)، پتانسيل نفوذي (ساعت شني، شيپوري)، هدايت الكتريكي (استوانه‌اي)، توان توليدي (استوانه‌اي، شيپوري) و بازدهي تبديل انرژي (ساعت شني، شيپوري) بدست آمد. به‌عنوان مثال با در نظر گرفتن جدايش يوني (η_ε=η_D=0.75 ,η_μ=2) در نسبت غلظت C_H⁄C_L =1000 براي هندسه شيپوري با افزايش دانسيته بار لايه نرم از N_PEL⁄N_A =25 mol〖/m〗^3 به N_PEL⁄N_A =100mol〖/m〗^3 حداكثر توان توليد شده با رشد تقريبي 25 برابر يعني از 0.215 pW به 5.35 pW رسيد

1401/12/15

Investigation of the effect of nanochannel geometry on ion transfer behavior with energy generation approach

2/19/2024 12:00:00 AM

Energy production is one of the most fundamental challenges today, and due to the limited use of fossil fuels, finding alternative sources of energy has become one of the hottest research topics for researchers. One of the newest methods of energy production is to use different concentrations of different water sources. When two fluids with different concentrations are on both sides of a nanochannel membrane, they can produce energy due to the energy of mixing fluids. Given the costs and limitations of experimental study of these systems, simulation is necessary to find the optimal states and study the behavior of these systems. This study investigates the effect of nanochannel geometry on ionic transfer behavior with an energy generation approach. Symmetric (cylindrical) and asymmetric geometries (conical, bullet, trumpet, cigarette, hourglass, and hill) were used. In these geometries, the effect of different geometries, soft layer charge density, and concentration ratio is adopted using a finite element numerical computation approach for the Poisson-Nernst-Planck, and Navier-Stokes equations in the steady-state on energy production considering the effect of ionic partitioning effect in soft surfaces were examined. The results showed that: the best geometry in the ratio of low and high concentrations to create the most osmotic current (cylindrical, cigarette), transference number (hourglass, trumpet), diffusion potential (hourglass, trumpet), electrical conductivity (cylindrical), energy generation (cylindrical, horn) and energy conversion efficiency (hourglass, horn) were obtained, respectively. For instance, with considering ionic partitioning effect (η_ε=η_D=0.75 ,η_μ=2) in the concentration ratio C_H⁄C_L =1000 for trumpet geometry by increasing the charge density of the soft layer from N_PEL⁄N_A =25 mol〖/m〗^3 to N_PEL⁄N_A =100 mol〖/m〗^3, the maximum power generation increased approximately 25 times, i.e., from 0.215 pW to 5.35 pW.

هندسه نانو كانال , توليد توان , بازدهي تبديل انرژي , پلاريزاسيون غلظتي يوني , لايه پلي‌الكتروليت , اثر جدايش يوني

Nanochannel Geometry , power generation , energy conversion , polyelectrolyte layer , ionic partitioning effect

hossein Dartoomi

Seyed Nezamedin Ashrafizadeh