شبیه سازی دینامیک مولکولی نفوذ گاز هیدروژن و اکسیژن در پلی استایرن

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسنده

گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه خلیج فارس، کدپستی (75168)، بوشهر، ایران

چکیده

در این پژوهش، ضریب نفوذ گازهای هیدروژن و اکسیژن و ضریب تراواپذیری گاز هیدروژن در پلی استایرن با استفاده از شبیه­ سازی دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گرفت. با استفاده از میانگین مربع جا به­ جایی مرکز جرم گاز در پلی استایرن، ضریب نفوذ گازهای هیدروژن و اکسیژن در بازه گسترده دمایی 300 تا 500 کلوین محاسبه شد.  نتیجه­ های این پژوهش نشان داد که ضریب نفوذ محاسبه شده در توافق خوبی با داده­ های تجربی و نتیجه­ های شبیه سازی­ های گذشته هستند. همچنین، نظام نفوذ در دماهای بالاتر، در زمان کوتاه­تری در مقایسه با دماهای پایین برقرار می شود. نتیجه­ های مربوط به وابستگی دمایی ضریب نفوذ، نشان دهنده وابستگی خطی در نمودار  لگاریتم طبیعی ضریب نفوذ در مقابل وارون دما در کل بازه دمایی مطالعه شده می­ باشد. از وابستگی دمایی ضریب نفوذ، انرژی فعال­ سازی نفوذ مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین نتیجه ­های ضریب تراواپذیری محاسبه شده نشان دهنده توافق  بهتر نتیجه­ های این پژوهش با داده ­های تجربی در مقایسه با شبیه سازی­ های پیشین می ­باشد. بررسی تابع توزیع شعاعی بین گاز نفوذی و بخش ­های گوناگون زنجیره پلیمری در دماهای متفاوت نشان می­ دهد که مولکول­ های گاز در فاصله کم­تری از گروه فنیل در مقایسه با گروه آلیفاتیکی قرار می­ گیرند. همچنین مقایسه رفتار گاز اکسیژن و هیدروژن در مجاورت زنجیره پلیمری، نشان می­ دهد که گاز هیدروژن در مقایسه با گاز اکسیژن به دلیل اندازه کوچک­تر در فاصله نزدیک­تری نسبت به زنجیره پلیمری قرار می­ گیرد ولی  برهمکنش ضعیف ­تری  با زنجیره پلیمری دارد.

کلیدواژه‌ها


[1] Sistani S., Ehsani M.R., Kazemian H., Microwave Assisted Synthesis of Nano Zeolite Seed for Synthesis Membrane and Investigation of its Permeation Properties for H2 Separation, Iran. J. Chem. Chem. Eng.(IJCCE), 29(4): 99-104 (2010).
[2] Marjani A., Mechanistic Modeling of Organic Compounds Separation from Water via Polymeric Membranes, Iran. J. Chem. Chem. Eng.(IJCCE), 36(6): 139-149 (2017).
[3] منوچهریان فرد، م.، بیگی، ح.، اندازه­ گیری ضریب نفوذ بنزوئیک اسید در نانوسیال آب ـ گاما آلومینا در دمای ثابت، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 34(3): 31 تا 39 (1394).
[4] قنبری پاکدهی، ش.، پور مظاهری، آ.، توفیقی داریان، ج.، فرخی، ع.، اندازه­ گیری ضریب نفوذ سوخت DMAZ در هوا و تعیین حداقل شعاع انبارداری آن، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران،33(1): 31 تا 35 (1393).
[5] Zhang H., Hogen-Esch T.E., Boschet F., Margaillian A., Fluorine-19 NMR and Viscometric Studies of a Telechelic Fluorocarbon Derivative of Poly(Ethylene Glycol)SAmerican Chemical Society, Polymer Preprints, Division of Polymer Chemistry. 37: 731-732 (1996). 
[6] Lai Y.C., Willson A.C., Zantos G., Òcontact L., “Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology”, 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York,192 (1993).
[7] Pan A.C., Jacobson D.,  Yatsenko K.,  Sritharan D.,  Weinreich T.M.,  Shaw D.E., Atomic-Level Characterization of Protein-Protein Association, PNAS, 116(10): 4244-4249(2019).
[8] Müller-Plathe F., Molecular Dynamics Simulation of Gas Transport in Amorphous Polypropylene, J. Chem. Phys., 96(4): 3200-3206 (1992).
[9] Erdtman E., Bohlén M., Ahlström P., Gkourmis T., Berlin M., Andersson T., Bolton K.,  A Molecular-Level Computational Study of the Diffusion and Solubility of Water and Oxygen in Carbonaceous Polyethylene Nanocomposites, J. Polym. Sci. Poly. Phys., 54(5): 589-602 (2016).
[10] Müller-Plathe F., Calculation of the Free Energy for Gas Absorption in Amorphous Polypropylene, Macromolecules, 24(24): 6475–6479 (1991).
[11] Tamai Y., Tanaka H., Nakanishi K., Molecular Simulation of Permeation of Small Penetrants through Membranes. 2. Solubilities, Macromolecules, 28(7): 2544–2554 (1995).
[12] Pricl S, Fermeglia M., Atomistic Molecular Dynamics Simulations of Gas Diffusion and Solubility in Rubbery Amorphous Hydrocarbon Polymers, Chem. Eng. Commun., 190(10): 1267-1292 (2003).
[16] Lim S.Y., Tsotsis T.T., Sahimi M. Molecular Simulation of Diffusion and Sorption of Gases in an Amorphous Polymer, J. Chem. Phys., 119(1): 496-505 (2003).
[17] Mooney D.A., MacElroy J.M.D., The Influence of Intramolecular Chain Dynamics on the Diffusion of Small Penetrants in Semicrystalline Aromatic Polymers, J. Chem. Phys. 110(22): 11087-11094 (1999).
[18] Cuthbert T.R., Wagner N.J., Paulaitis M.E., Molecular Simulation of Glassy Polystyrene:  Size Effects on Gas Solubilities, Macromolecules, 30 (10): 3058–3065 (1997).
[19] Yi Y., Bi P.,  Zhao X., Wang L. Molecular Dynamics Simulation of Diffusion of Hydrogen and Its Isotopic Molecule in Polystyrene, J. Polymer Res. 25(2): 43-48 (2018).
[20] Mozaffari F., Eslami H., Moghadasi J., Molecular Dynamics Simulation of Diffusion and Permeation of Gases in Polystyrene, Polymer, 51(1): 300-307 (2010).
[21] Müller-Plathe F., Permeation of Polymers — A Computational Approach, Acta Polym., 45(4): 259-293 (1994).
[22] Eslami H., Müller-Plathe F., Molecular Dynamics Simulation of Sorption of Gases in Polystyrene, Macromolecules, 40(17): 6413–6421 (2007).
[23] Müller-Plathe F., Local Structure and Dynamics in Solvent-Swollen Polymers, Macromolecules, 29 (13): 4782–4791 (1996).
[24] Müller-Plathe F., Unexpected Diffusion Behavior of gas Molecules in Crystalline Poly(4‐Methyl‐1‐Pentene)J. Chem. Phys., 103(10): 4346-4352 (1995).
[25] Jorgensen W.L., Severance D.L., Aromatic-Aromatic Interactions: Free Energy Profiles for the Benzene Dimer in Water, Chloroform, and Liquid Benzene, J. Am. Chem. Soc., 112(12): 4768–4774 (1990).
[26] Allen M. P., Tildesley D.J., Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press; (1987).
[27] Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., Van Gunsteren W.F., DiNola A., Haak J.R., Molecular Dynamics with Coupling to an External Bath, J. Chem. Phys., 81: 3684-3690 (1984).
[28] Müller-Plathe F., YASP: A Molecular Simulation Package, Comput. Phys. Commun., 78: 77–94 (1993).
[29] Srivastava P., Chapman W. G., Laibinis P. E., Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Transport Through n-Alkanethiolate Self-Assembled Monolayers on Gold and Copper, J. Phys. Chem. B, 113(2): 456-464 (2009).
[30] Jain A., Purohit C. S., Verma S., Sankararamakrishnan R., Close Contacts between Carbonyl Oxygen Atoms and Aromatic Centers in Protein Structures: π…π or Lone-Pair…π Interactions? J. Phys. Chem. B, 111( 30): 8680-8683 (2007).
[31] Gung B.W., Zou Y., Xu Z., Amicangelo J.C., Irwin D.G., Ma S., Zhou H.C., Quantitative Study of Interactions between Oxygen Lone Pair and Aromatic Rings: Substituent Effect and the Importance of Closeness of Contact,  J. Org. Chem.  73: 689-693 (2008).
[33] Müller-Plathe F., Laaksonen L., van Gunsteren W.F., Cooperative Effects in the Transport of Small Molecules Through an Amorphous Polymer Matrix, J. Mol. Graph., 11(2): 118–120 (1993).
[34] Crank J., Park G.S. Diffusion in Polymers. Academic Press; London and New York: (1968).
[35] Kucukpinar E., Doruker P., Molecular Simulations of Small Gas Diffusion and Solubility in Copolymers of Styrene, Polymer, 44(12): 3607-3620 (2003).
[36] Barrer R. M., Nature of the Diffusion Process in Rubber, Nature, 140: 106-107(1937).
[37] Gao Y., Baca A.M., Wang B., Ogilby P.R., Activation Barriers for Oxygen Diffusion in Polystyrene and Polycarbonate Glasses: Effects of Low Molecular Weight Additives, Macromolecules, 27(24): 7041-7048 (1994).
[38] Brandrup J., Immergut E. H., Grulke E. A., “Polymer Handbook”, 4th ed. John Wiley & Sons, Inc. (1999).