مطالعه جداسازی فلزات سنگین از محلول های آبی درون نانولوله های کربنی به کمک شبیه سازی دینامیک مولکولی

بحران آب یکی از مهم¬ترین چالش¬ها در زمان حاضر بوده و آلوده¬کننده¬های گوناگون که ناشی از فعالیت¬های انسانی بوده مانند فلزات سنگین وارد منابع آبی شده و مشکل کمبود آب را تشدید می کنند. اکثر این آلوده¬کننده¬ها را نمی¬توان به وسیله روش¬های قدیمی تصفیه آب به¬طور مؤثر جدا نمود، بنابراین برای جداسازی آنها بایستی از تکنولوژی¬های جدید مانند فرآیند فیلتراسیون غشایی استفاده شود. نانولوله¬های کربنی به دلیل دارا بودن خواص ساختاری، فیزیکی و شیمیایی قابل تنظیم و منحصربه فردشان قابلیت ویژه¬ای در فرآیند تصفیه آب به¬عنوان غشا از خود نشان داده¬اند. در این مطالعه، با استفاده از شبیه¬سازی دینامیک مولکولی توانایی غشاهای نانولوله کربنی در جداسازی سه یون فلزی سنگین 〖cd〗^(2+)، ni^(2+) و 〖zn〗^(2+) با در نظر گرفتن مکانیزم جداسازی از نوع فرآیند اسمز معکوس، مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور نانولوله¬های کربنی از نوع دسته¬صندلی در چهار مختصات کایرالیتی (8،8)، (9،9)، (10،10) و (11،11) در نظر گرفته شد و دو جعبه به ضخامت 20 آنگستروم حاوی غلظت یک مولار از نمک¬های 〖zncl〗_2، 〖nicl〗_2 و 〖cdcl〗_2 در دو سمت نانولوله¬ها تحت سه اختلاف فشار هیدرواستاتیک 200 مگاپاسکال، 400 مگاپاسکال و 800 مگاپاسکال به¬طور مجزا شبیه¬سازی شدند. هر یک از سیستم های مورد نظر ابتدا در مدت زمان 3 نانوثانیه به تعادل رسیدند و پس از آن در مدت زمان 3 نانوثانیه¬ی دیگر تحت اعمال اختلاف فشار هیدرواستاتیک قرار گرفتند. همچنین پس از انجام شبیه¬سازی تأثیر دو عامل کایرالیتی نانولوله-کربنی و فشار روی تعداد عبور مولکول¬های آب، یون فلز سنگین و آنیون کلرید از درون نانولوله¬های¬کربنی و همچنین تأثیر نوع یون فلزی سنگین در تعداد مولکول¬های آب عبوری به¬طور دقیق مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیه سازی ها نشان دادکه افزایش کایرالیتی موجب افزایش قطر نانولوله¬ها شده و تعداد مولکول¬های آب و یون¬های عبوری نیز افزایش می¬یابد. علاوه-بر این پارامتر فشار رابطه¬ی مستقیمی با تعداد مولکول های آب و یون عبوری از درون نانولوله کربنی دارد و بیشترین تعداد مولکول آب عبوری در حضور یون نیکل جداسازی شد. در نهایت غشا¬های نانولوله¬کربنی با کایرالیتی (8،8) تحت اختلاف فشار 200 مگاپاسکال گزینه مناسب برای جداسازی یون¬های فلزات سنگین مذکور از محلول¬های آبی انتخاب شد. کلمات کلیدی: نانولوله¬کربنی، فلزات سنگین، تصفیه آب، فیلتراسیون غشایی، فرآیند اسمز معکوس، شبیه سازی دینامیک مولکولی.