Ατομιστικές μεσοσκοπικές προσομοιώσεις της δομής, ρόφησης και διάχυσης σε μικροπορώδη υλικά
Authors: Μακροδημήτρης Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Η δομή, η ρόφηση και η διάχυση ρευστών σε μικροπορώδη υλικά μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας ατομιστικές και μεσοσκοπικές προσομοιώσεις. Οι νέες τεχνικές προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν έχουν σημαντικές βιομηχανικές εφαρμογές σε διεργασίες καταλυτικής μετατροπής και διαχωρισμού με μικροπορώδη υλικά. Μελετήθηκαν οι ισόθερμες ρόφησης των CH4, CO2, Ν2 στην τάξη ζεόλιθων MFI (σιλικαλίτης (Silicalite), ZSM-5)) και στις 3 κρυσταλλικές συμμετρίες (INTERNATIONAL ZEOLITE ASSOCIATION, (ΙΖΑ), http://www.iza-structure.org/) Pnma (ORTHO), P2₁2₁2₁ (PARA), P2₁/N11 (MONO) στις θερμοκρασίες T= 77K και T = 300Κ με τη μέθοδο προσομοίωσης Monte Carlo στο μεγαλοκανονικό στατιστικό σύνολο (GCMC) [June et al. 1990a, Snurr et al. 1991]. Τ’ αποτελέσματα από τις ισόθερμες ρόφησης που προβλέπει η ατομιστική προσομοίωση και οι πληροφορίες που παρέχει για τις μεταπτώσεις φάσης και του ζεολιθικού πλέγματος σε συνάρτηση με τις θερμοδυναμικές συνθήκες βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις [Yamazaki et al. 1993b, Müller et al. 1989] στις μεμβράνες της τάξης ζεόλιθων MFI [Makrodimitris et al. 2000a,b, 200la,b]. Μελετήθηκε η αυτοδιαχυτότητα και η ενδοκρυσταλλική διαπερατότητα των CH4, CO2, Ν2 σε μεμβράνη Silicalite στην Pnma (ORTHO) κρυσταλλική συμμετρία στην θερμοκρασία T - 300Κ. Οι διαχυτότητες μεταφοράς εκτιμήθηκαν με την παραδοχή της υπόθεσης του Darken αφού υπολογίστηκαν οι αυτοδιαχυτότητες των μορίων με την μέθοδο της Μοριακής Δυναμικής στο μικροκανονικό σύνολο (NVE) με την σχέση του Einstein [Maginn et al. 1993]. Τ’ αποτελέσματα των λόγων των ενδοκρυσταλλικών μέσων διαπερατοτήτων από την ατομιστική προσομοίωση [Makrodimitris et al. 2000a,b, 200la,b], συμφωνούν άριστα με τους αντίστοιχους λόγους διαπερατοτήτων που μετρούνται στα μακροσκοπικά πειράματα για την τάξη ζεόλιθων MFI [Yan et al. 1995a]. H προσομοίωση προδίδει την ύπαρξη κι άλλων αντιστάσεων στην μεταφορά από τις εξωκρυσταλλικές περιοχές στην μεμβράνη Silicalite εκτός των ενδοκρυσταλλικών [Kärger & Ruthven 1992]. Η δομή, η διαγωγιμότητα [Kirckpatrick 1973] και οι μεταφορικές ιδιότητες [Chandrasekhar 1943] ισότροπων και ανισότροπων ετερογενών μικροπορωδών υλικών εξετάστηκαν στη μεσοσκοπική κλίμακα. Με τη μέθοδο της στοχαστικής ψηφιακής ανακατασκευής της δομής, χρησιμοποιώντας την τεχνική της παράλληλης ανόπτησης (ΡΤ) δημιουργήθηκαν εικονικές διδιάστατες (2D) και τρισδιάστατες (3D) δομές και μελετήθηκαν οι ιδιότητες τους (συναρτήσεις συσχέτισης ψηφιακής δομής, διαγωγιμότητα, μεταφορά), οι οποίες βρέθηκαν σε πολύ καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες των πραγματικών υλικών των μεμβρανών Silicalite και Vycor [Makrodimitris et al. 2001c,d, 2002]. Μελετήθηκαν σωματιδιακές (particle-based) ανακατασκευές δομής σφαιρών και οκταέδρων με σκοπό την εξομοίωση κλινών ζεολιθικών καταλυτών στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος TROCAT(G5RD-CT-2001-00520). Με την τεχνική της τυχαίας προσθήκης κατ’ ακολουθία ίσων και άνισων σφαιρών [Widom 1966, Visscher & Bolsterli 1972] επιτεύχθηκαν πυκνές συσσωρεύσεις σφαιρών σε περιοδικό κουτί με πορώδες και στατιστικές ιδιότητες που συμφωνούν με την σχετική βιβλιογραφία. Με την μέθοδο της ελαχιστοποίησης ενέργειας με συνεχή δυναμικά [Theodorou & Suter 1985] αδροποιημένων οκταέδρων (η οκταεδρική επιφάνεια συνίσταται από σφαίρες σε FCC διάταξη), επιτεύχθηκαν διατάξεις με πορώδες και στατιστικές ιδιότητες που συμφωνούν με τις πειραματικές μετρήσεις. Αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι σε διάφορες γλώσσες προγραμματισμού (Fortran90, C++, Matlab6, Visual Basic) [Stroustrup 1997] για τις ατομιστικές προσομοιώσεις με Μοριακή Δυναμική (MD) και Monte Carlo στο εγαλοκανονικό στατιστικό σύνολο (GCMC), τις ψηφιακές και τις σωματιδιακές εξομοιώσεις της δομής, τον υπολογισμό της διαγωγιμότητας και των ιδιοτήτων μεταφοράς σε διδιάστατες (2D) και τρισδιάστατες (3D) δομές και εφαρμόστηκαν παράλληλες αρχιτεκτονικές και τεχνικές σε Beowulf clusters για την μείωση του χρόνου υπολογισμού (CPU-time) των προσομοιώσεων. Έγινε λεπτομερής βιβλιογραφική μελέτη των ατομιστικών και μεσοσκοπικών προσομοιώσεων με σκοπό την κατάλληλη επιλογή τους και την εφαρμογή τους για την μελέτη του ανάλογου φυσικοχημικού συστήματος.