مطالعه جذب و جداسازی اجزاء گاز طبیعی شامل متان، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن با استفاده از ساختارهای کربنی با تخلخل نانو با روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی و مونت کارلو

در این تحقیق، جذب و جداسازی اجزای گاز طبیعی شامل متان، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن بوسیله ی جاذب های کربنی با تخلخل نانو (npc) به روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی (md) و مونت کارلو بررسی شد. ساختار جاذب های کربنی متخلخل به دو صورت مدلسازی شد. در هر مورد، اعتبار مدل مورد نظر با بررسی رفتار جذبی و نفوذی متان مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس امکان استفاده از مدلهای پیشنهادی برای جداسازی گازهای اسیدی co2 و h2s از مخلوط آنها با متان (مخلوطهای co2/ch4، h2s/ch4 و h2s/co2/ch4) بررسی شد. در مدل اول که «شکاف کربنی منقبض»نامیده شده، شکست در صفحات گرافنی ساختارهای کربنی و در نتیجه انقباض حفرات حاصل از آنها که جزء خواص ساختاری محلی npcها می باشد، بصورت حضور یک انقباض در مدل شکاف کربنی وارد شد. نتایج شبیه سازی مونت کارلو در مجموعه بندادی بزرگ (gcmc) در این مدل نشان دادند که ایجاد انقباض صرفنظر از پهنای آن، منجر به افزایش جذب در فشارهای پایین می شود. شکافی با پهنای انقباض نزدیک به یک قطر مولکولی (پهنای فیزیکی ?7) بیشترین گرما و مقدار جذب را در فشارهای پایین نشان می دهد. در این مدل، یک لایه از مولکول های گاز مورد نظر می توانند ناحیه انقباض را اشباع کنند. مقادیر جذب محاسبه شده برای گازهای خالص درون مدل های شکاف منقبض با نتایج تجربی موجود برای جاذبهای کربنی متخلخل همخوانی خوبی نشان می دهند. ضرایب نفوذ مولکولهای متان جذب شده در مدل های شکاف با استفاده از شبیه سازی md محاسبه شدند. نتایج نشان می دهند که وجود انقباض بدون توجه به میزان آن باعث کاهش ضریب نفوذ در شکاف منقبض نسبت به شکاف ساده می شود. ضرایب نفوذ محاسبه شده در مدل های شکاف منقبض نسبت به مدل شکاف ساده، کمتر بوده و به داده های تجربی موجود نزدیکترند. در همه مخلوط های مورد بررسی، مدل شکاف با پهنای انقباض ?7بیشترین و مدل شکاف ساده کمترین مقادیر انتخابگری را نشان می دهند. انتخابگری co2/ch4 در شکاف با پهنای انقباض ?7بیشتر از کربن فعال شده با میکروویو، کربن فعال bpl و zif-8 می باشد. با توجه به نتایج مثبت حضور انقباض یک بُعدی در نتایج جذبی و نفوذی مدل شکاف، در گام بعدی، یک انقباض دوبعدی در حفرات ترکیبات کربنی فرض شده و مدلحاصل«نانولوله منقبض (c-cnt)» نامیده شد. شواهد تجربی زیادی حضور ویژگی های ساختاری مدل نانولوله منقبض نظیر حفرات انحنادار، حفرات کروی شکل و حلقه های پنج و هفت ضلعی را در npcهای واقعی تایید می کنند. وجود انقباض در کانال نانولوله، ضرایب نفوذ را نسبت به انقباض در مدل شکاف، بیشتر کاهش می دهد. ضریب نفوذ در c-cnt از شکاف ساده کربنی و نانولوله صاف یک تا دو مرتبه کوچکتر بوده و با مدلهای شکاف منقبض و vpc هم مرتبه است. این ضرایب هنوز از مقادیر تجربی گزارش شده برای غربال های مولکولی کربنی بزرگترند. مقادیر جذب مشاهده شده برای co2خالص در c-cntبا نتایج تجربی موجود در توافق خوبی است. میزان جذب h2s در مدل c-cnt نسبت به مدل های شکاف به داده های تجربی موجود نزدیکتر است. انتخابگری co2/ch4 در مدل نانولوله منقبض در حد نتایج تجربی و همچنین نتایج شبیه سازی در مدل شکاف کربنی است. با توجه به فقدان اصولطراحی منطقی npcها برای کاربردهای ویژه، به نظر می رسد از نتایج این تحقیق می توان برای سنتز هدفمند این ترکیبات و یافتن رابطه نانوساختار-خاصیت برای npcهااستفاده نمود.