بررسی عملکرد تعدادی از جاذب‌های زئولیتی در جداسازی مخلوط گازهای هیدروژن و دوتریم با استفاده از شبیه‌سازی مونت کارلو

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه نیشابور، نیشابور، ایران

2 موسسه پژوهش چرخه سوخت هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، تهران، ایران

چکیده

جداسازی بر اساس جذب مولکول‌های هیدروژن و دوتریم در مخلوط دوتایی آ‌ن‌ها، توسط پانزده زئولیت گوناگون در دمای K77 و فشار محیط با استفاده از روش شبیه‌سازی کلاسیکی مونت-کارلو بندادی بزرگ شبیه‌سازی شد. برای شبیه‌سازی گازهای هیدروژن و دوتریم از مدل سه جایگاهی آن‌ها استفاده شد تا اثر دمای K77 در نظر گرفته شود. فاکتور جداسازی بر اساس مقدار جذب سطحی گازها هیدروژن و دوتریم، احتمال توزیع انرژی در روزنه‌ها زئولیت‌ها و انرژی‌های بین مولکولی، الکترواستاتیکی، واندروالسی و میانگین انرژی کل سامانه‌ها محاسبه شدند. از نتیجه‌های این پژوهش‌، می‌توان نتیجه گرفت که برخی از زئولیت‌ها مانند زئولیت‌های VSV، ZON، ACO و EUO توانایی بهتری در جداسازی مولکول‌های هیدروژن و دوتریم با مقدارهای ضریب جداسازی بین 28/1 تا 46/1 دارند. همچنین دما به عنوان عامل ترمودینامیکی و نیز شیمی روزنه‌های نانومتری زئولیت‌ها و تنوع شکل روزنه‌ها در یک نوع زئولیت می‌تواند بر جذب سطحی گازها و در نتیجه در جداسازی آن‌ها مؤثر واقع شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Bosch H.-S., Hale G.M., Improved Formulas for Fusion Cross-Sections and Thermal Reactivities, Nuclear Fusion, 32: 611-631 (1992). https://doi.org/10.1088/0029-5515/32/4/I07
[2] Jones S.E., Muon-Catalysed Fusion Revisited, Nature, 321: 127-133 (1986). https://doi.org/10.1038/321127a0
[3] Kushner D.J., Baker A., Dunstall T.G., Pharmacological uses and Perspectives of Heavy Water and Deuterated Compounds, Canadian Journal of Physiology and Pharmacology, 77: 79-88 (1999). https://doi.org/10.1139/y99-005
[4] Vértes A., Nagy S., Klencsár Z., Lovas R.G., “Handbook of Nuclear Chemistry: Elements and Isotopes: Formation, Transformation, Distribution”, Kluwer Academic Publishers (2003). 
[5] Lozada-Hidalgo M., Zhang S., Hu S., Esfandiar A., Grigorieva I.V., Geim A.K., Scalable and Efficient Separation of Hydrogen Isotopes using Graphene-based Electrochemical Pumping, Nature Communications, 8: 15215/1-15251/5 (2017).doi:10.1038/ncomms15215 (2017).
[6] Aoki K., Ogata Y., Kusakabe K., Morooka S., Applicability of Palladium Membrane for the Separation of Protium and Deuterium, International Journal of Hydrogen Energy, 23: 325-332 (1998). https://doi.org/10.1016/S0360-3199(97)00071-2
[7] Tanaka S., Kiyose R., Isotope Separation of Hydrogen and Deuterium by Permeation through Palladium Membrane, Journal of Nuclear Science and Technology, 16: 923-925 (1979). https://doi.org/10.1080/18811248.1979.9730997
[8] Baerlocher C., McCusker L.B., Database of Zeolite Structures, http://www.iza-structure.org/databases/
[9] Physick A.J.W., Wales D.J., Owens S.H.R., Shang J., Webley p.A., Mays T. J., Ting V. P., Novel Low Energy Hydrogen–Deuterium Isotope Breakthrough Separation using a Trapdoor Zeolite, Chemical Engineering Journal, 288: 161-168 (2016). https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.11.040
[10] Friebe S., Wang N., Diestel L., Liu Y., Schulz A., Mundstock A., Caro J., Deuterium/hydrogen Permeation through Different Molecular Sieve Membranes: ZIF, LDH, Zeolite, Microporous and Mesoporous Materials, 216: 127-132 (2015). https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.03.034
[11] Shi J., Li J., Wu E., Adsorption of Hydrogen and Deuterium in MnO2 Modified NaX Zeolites, Microporous and Mesoporous Materials, 152: 219-223 (2012). https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.11.029
[12] Xiong R., Xicohtencatl R.B., Zhang L., Li P., Yao Y., Sang G., Chen C., Tao T., Luo D., Hirscher M.,  Thermodynamics, Kinetics and Selectivity of H2 and D2 on Zeolite 5A below 77K, Microporous and Mesoporous Materials, 264: 22-27 (2018). https://doi.org/10.1016/J.MICROMESO.2017.12.035
[13] Chu X.-Z., Cheng Z. –P., Xiang X.-X., Xu J.-M., Zhao Y.-J., Zhang W.-G., Shun J., Separation Dynamics of Hydrogen Isotope Gas in Mesoporous and Microporous Adsorbent Beds at 77 K: SBA-15 and Zeolites 5A, Y, 10X, International Journal of Hydrogen Energy, 39: 4437-4446 (2014). http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.01.031
[14] Kotoh K., Kimura K., Nakamura Y., Kudo K., Hydrogen Isotope Separation using Molecular Sieve of Synthetic Zeolite 3A, Fusion Science and Technology, 54: 419-422 (2008). https://doi.org/10.13182/FST08-A1844
[15] Giraudet M., Bezverkhyy I., Weber G., Dirand C., Macaud M., Bellat J.-P., D2/H2 Adsorption Selectivity on FAU Zeolites at 77.4 K: Influence of Si/Al Ratio and Cationic Composition, Microporous and Mesoporous Materials, 270: 211-219 (2018). http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2018.05.026
[16] Perez-Carbajo J., Parra J.B., Ania C.O., Merkling P.J., Calero S., Molecular Sieves for the Separation of Hydrogen Isotopes, ACS Applied Materials & Interfaces, 11: 18833-18840 (2019). https://doi.org/10.1021/acsami.9b02736
[17] Frenkel D., Smit B., “Understanding Molecular Simulation from Algorithms to Applications”, Academic Press, Orlando (2001).
[18] Keizer J., “Statistical Thermodynamics of Non-Equilibrium Processes”, Springer, New York (1987).
[19] Widom B., Some Topics in the Theory of Fluids, Journal of Chemical Physics, 39: 2808-2812 (1963). https://doi.org/10.1063/1.1734110
[20] Gupta A., Chemmpath S., Sanborn M.J., Clark L.A., Snurr R.Q., Object-Oriented Programming Paradigms for Molecular Modeling, Molecular Simulation, 29: 29-46 (2003). https://doi.org/10.1080/0892702031000065719
[21] Taheri S., Shadman M., Soltanabadi A., Ahadi Z., Grand Canonical Monte Carlo Simulation of Hydrogen Physisorption in Li- and K-Doped Single-Walled Silicon Carbide Nanotube, International nano letters, 4: 81-90 (2014). http://dx.doi.org/10.1007/s40089-014-0123-6
 [22] Motallebipour M.S., Karimi-Sabet J., Maghari A., 4He/3He Separation using Oxygen-Functionalized Nanoporous Graphene, Physical Chemistry Chemical Physics, 21: 12414-12422 (2019). https://doi.org/10.1039/C9CP01364D
[23] Izadi M., Maghari A., Zhang W., Duin A.C.T., Reactive Molecular Dynamics Simulation for Isotope-Exchnage Reactions in H/D Systems:ReaxFFHD Development, Journal Chemical Physics, 152: 224111/1-224111/10 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0008386
[24] Huang H., Zhnag W., Liu D., Zhong C., Understanding the Effect of Trace Amount of Water on CO2 Capture in Natural Gas Upgrading in Metal−Organic Frameworks: A Molecular Simulation Study, Industrial & Engineering Chemistry Research, 51: 10031-10038 (2012). https://doi.org/10.1021/ie202699r
[25] Mayo S.L., Olafson B.D., Goddard W.A., DREIDING: a Generic Force Field for Molecular Simulations, Journal of Physical Chemistry, 94: 8897-8909 (1990). https://doi.org/10.1021/j100389a010
[26] Darkrim F., Levesque D., Monte Carlo Simulations of Hydrogen Adsorption in Single-Walled Carbon, Journal of Chemical Physics, 109: 4981-4984 (1998). https://doi.org/10.1063/1.477109
[27] Wells B.A., Chaffee A.L., Ewald Summation for Molecular Simulation, Journal of Chemical Theory and Computation, 11: 3684-3695 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b00093
[28] Wilmer C.E., Kim K.C., Snurr R.Q., An Extended Charge Equilibration Method, Journal Physical Chemistry Letter, 3: 2506-2511 (2012). https://doi.org/10.1021/jz3008485
[29] Banijamali F.S., Maghari A., Schutz G., Hirscher M., Hydrogen  and Deuterium Separation on Metal Organic Frameworks based on Cu-and Zn-BTC: an Experimental and Theoretical Study, Adsorption-Journal of the International Adsorption Society, 27: 1-18 (2021). https://link.springer.com/article/10.1007/s10450-021-00323-x

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار