Μελέτη προσρόφησης, διάχυσης και διαχωρισμού αερίων με μεθόδους μοριακής δυναμικής
Authors: Ταμιωλάκης Γεώργιος 
Published: September 2021

Η προσρόφηση και ο διαχωρισμός αερίων είναι δύο πολύ σημαντικές διαδικασίες τόσο σε βιομηχανικές όσο και περιβαντολλογικές εφαρμογές. Ειδικά για τις τελευταίες, εξαιτίας της αλόγιστης ρύπανσης της ατμόσφαιρας με τρομακτικές επιπτώσεις στο φαινόμενο του θερμοκηπίου καθώς και της ζωής στον αστικό κύκλο, λύσεις που μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική μείωση των επικίνδυνων αερίων στο περιβάλλον είναι αναγκαίες και επιτακτικές όσο ποτέ άλλοτε. Στις παραπάνω εφαρμογές τα πορώδη υλικά διαδραματίσουν ένα πολύ σημαντικό ρόλο καθώς καλύπτουν ένα μεγάλο μέρος διαδικασιών όπως αποθήκευση, ρόφηση και διαχωρισμό αερίων. Η σύνθεση αποδοτικότερων και οικονομικά συμφερότερων πορωδών υλικών προς αποθήκευση, φιλτράρισμα και καθαρισμό αερίων, τα οποία είτε παράγονται ως ενδιάμεσα προϊόντα της βιομηχανίας είτε ως ρυπαντές από κινητήρες, είναι μια σημαντική τεχνολογική και επιστημονική πρόκληση. Προς αυτή την κατεύθυνση πραγματοποιείται τις τελευταίες δεκαετίες έρευνα με αέρια και μίγματα αερίων αποτελούμενα από Η2, CO2, CO, CH4, O2, N2, H2S, NOx, SOx κ.ά. Όσον αφορά την εξεύρεση νέων πορωδών υλικών, η φύση αποτέλεσε οδηγό δίνοντας δομές όπως οι φυσικοί ζεόλιθoι. Πρόκειται για πορώδη υλικά με εκτεταμένο δίκτυο πόρων χαμηλού βάρους με διάταξη και διάμετρο που ποικίλλει. Αυτό τους δίνει τη δυνατότητα εκλεκτικής αποθήκευσης και διαχωρισμού μικρών μορίων. Στη φιλοσοφία των ζεόλιθων σχεδιάστηκαν και παρείχθησαν τεχνητοί ζεόλιθοι για ποικίλες διεργασίες όπως καθαρισμός νερού και καταλύτες. Όμως, νέα υλικά με μεγαλύτερες ικανότητες αποθήκευσης και εκλεκτικού διαχωρισμού με ιδιότητες όπως χαμηλό βάρος είναι δυνατόν να παραχθούν. H σκέψη του θεωρητικού μελετητή-σχεδιαστή θα κινηθεί προς σταθερές μικροπορώδης δομές, με εκτεταμένο δίκτυο πόρων και ευελιξία στην επιλογή διαστάσεων και διατάξεων τους στο χώρο. Τέτοιες δομές άρχισαν να σχεδιάζονται, να συντίθενται και να μελετούνται τις τελευταίες δεκαετίες και χαρακτηρίζονται ως νανοπορώδη υλικά βασισμένα στον άνθρακα και εντάσσονται στη κατηγορία των νανοϋλικών. Δομές όπως υποστηλωμένα γραφένια, διασταυρωμένοι νανοσωλήνες, γραφένια και νανοσωλήνες με πολυμερικές αλυσίδες, οργανικά σκελετικά πλέγματα (COFs) και υβριδικά οργανικό-ανόργανα σκελετικά πλέγματα (MOFs) είναι μερικές από τις δομές που βρίσκονται στο επίκεντρο του επιστημονικού ενδιαφέροντος τα τελευταία χρόνια με πολλά υποσχόμενες ιδιότητες αποθήκευσης και διαχωρισμού αερίων. Σε αυτήν τη διατριβή θα μελετηθεί η προσρόφηση ισομοριακών μιγμάτων CH4/CO2 (σημαντικών συστατικών του φυσικού αερίου) και N2/CO2 (κύριων συστατικών της καύσης τον ορυκτών καυσίμων) σε έξι διαφορετικές νανοδομές:i.Δίκτυο διασταυρωμένων νανοσωλήνων (Porous Network Nanotubes – PNN).ii.Το μικρότερο σε διαστάσεις μέλος της οικογένειας των IRMOFs (υποκατηγορία των MOFs), το ΙRMOF-1.iii.Το δεύτερο μικρότερο σε διαστάσεις μέλος της οικογένειας των IRMOFs, το IRMOF-8, στο οποίο επιπλέον η οργανική του γέφυρα έχει τροποποιηθεί κατάλληλα με τρεις διαφορετικές λειτουργικές ομάδες με στόχο τη βελτίωση των προσροφητικών του χαρακτηριστικών.Όλες οι προσομοιώσεις λαμβάνουν χώρα με τη χρήση μεθόδων μοριακής δυναμικής και χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες:α) Προσομοιώσεις με στόχο την επίτευξη καταστάσεων ισορροπίας όπου γίνεται η τροφοδότηση των νανοδομών από δεξαμενές που περιέχουν τα μίγματα των μορίων.β) Προσομοιώσεις σε καταστάσεις μη ισορροπίας όπου οι νανοδομών τροφοδοτούνται πάλι από δεξαμενές που περιέχουν τα μίγματα των μορίων με στόχο τη διέλευσή τους μέσα από αυτές.Οι υπολογισμοί περιλαμβάνουν τον προσδιορισμό της εκλεκτικότητας προσρόφησης και διέλευσης των νανοδομών για τα μόρια CH4, CO2 και Ν2 καθώς και χρήσιμες, για την κίνηση των παραπάνω μορίων εντός των νανοδομών, δυναμικές ιδιότητες με την ανάλυση των τροχιών κίνησης που προκύπτουν από τις προσομοιώσεις. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών δείχνουν πως η συμπεριφορά των μορίων είναι συνάρτηση της ισχύς της αλληλεπίδρασης που αναπτύσσουν με τα άτομα των νανοδομών, καθώς επίσης των γεωμετρικών τους χαρακτηριστικών.