بررسی نفوذ و جذب گازهای کربن دی اکسید، کربن دی سولفید، متان، اکسیژن و نیتروژن در زئولیت- بتا با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

چکیده زئولیت ها که گروهی از آلومینو سیلیکات های بلورین و متخلخل هستند، یکی از پرکاربرد ترین مواد در شاخه های مختلف صنایع می باشند. از جمله کاربردهای این مواد استفاده از آنها به عنوان غربال مولکولی است. از میان زئولیت ها، زئولیت- بتا به دلیل اسیدیته ی بالا و حفره های ویژه اش کاربرد صنعتی فراوانی دارد، اما تاکنون مطالعات چندانی بر روی این زئولیت در زمینه ی جداسازی مولکول های مختلف صورت نگرفته است. از این رو در تحقیق حاضر، فرایند جذب و نفوذ گازهای پر اهمیت نیتروژن، اکسیژن، کربن دی اکسید، کربن دی سولفید و متان بر روی زئولیت- بتا با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از انجام این تحقیق محاسبه ی کمیت ها ی میانگین مربع جا بجایی، ضرایب نفوذ، انرژی های جذب، انرژی های فعال سازی و توابع توزیع شعاعی است. با استفاده از نرم افزار dl poly_ 2 شبیه سازی ها در بارگذاری 4 و 8 مولکول بر سلول واحد، در دماهای 250، 298، 350، 400، 500، 600 و 700 کلوین و فشار bar 0/1 در دو مرحله انجام شد. در مرحله ی اول، به منظور رسیدن سامانه به تعادل، شبیه سازی ها طی ps 100 در مجموعه ی nvt اجرا شدند و در مرحله ی دوم فایل های خروجی از مرحله ی اول به منظور دنبال نمودن خط سیر سامانه، در مجموعه ی nve شبیه سازی شدند. سپس محاسبات مورد نظر انجام گرفت و دینامیک مولکول های مهمان با مطالعه ی میانگین مربع جابجایی (msd) برای مرکز جرم مولکول های مهمان بررسی شد. با رسم منحنی های msd بر حسب زمان مشاهده می شود که شیب منحنی ها با افزایش دما در تمام بارگذاری ها افزایش می یابد. از روی شیب منحنی msd و با استفاده از معادله ی انیشتین ضرایب نفوذ استخراج شده و اثر دما، بارگذاری و جرم مولی مولکول های مهمان روی این ضرایب بررسی شد. به این ترتیب مشاهده می شود که ضریب نفوذ هر ماده با دما رابطه ی مستقیم و با تعداد بارگذاری و جرم مولی مولکول مهمان رابطه ی عکس دارد. با استفاده از معادله ی آرنیوس، انرژی فعال سازی نفوذ محاسبه شد. نتایج حاصل نشان می دهد که به طور کلی انرژی فعال سازی با افزایش بارگذاری کاهش و با افزایش جرم مولی مولکول مهمان افزایش می یابد که تطابق خوبی با نتایج تجربی دارد. به موازات افزایش دما، غلظت مولکول های مهمان کاهش می یابد و بنابراین باید اثر ترکیبی دما وغلظت را در نظر گرفت. توابع توزیع مواضع اتمی مختلف در دماها و بار گذاری های مختلف به دست آمدند که بیشترین تغییرات در موضع مرکز جرم- مرکز جرم مشاهده شد. انرژی های جذب مولکول های مهمان در زئولیت- بتا بر حسب kj/mol، در دماهای مختلف محاسبه شدند. مشاهده می شود که در یک بارگذاری خاص با افزایش جرم مولی، انرژی جذب افزایش می یابد. همچنین در یک بارگذاری ثابت با افزایش دما انرژی جذب کاهش می یابد. کلمات کلیدی : دینامیک مولکولی، زئولیت- بتا، نفوذ ، انرژی جذب، انرژی فعال سازی نیتروژن، اکسیژن، کربن دی اکسید، کربن دی سولفید، متان