X
تبلیغات
گروه صنایع شیمیایی دانشکده فنی لاهیجان - ذخيره سازي متان در نانولوله هاي کربني

ذخيره سازي متان در نانولوله هاي کربني

امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب هاي متنوعي مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقي كربيد(CDC)، زئوليت ها و نانولوله هاي كربني تك ديواره(SWCNT)، نانولوله هاي كربني چند ديواره(MWCNT)و... صورت مي پذيرد. در اين مقاله مروري داريم بر مكانيزم ذخيره سازي گاز متان با استفاده از نانولوله هاي كربني و در ن هاي ت نتايج كار محققان مختلف را در زمينه ذخيره سازي گاز ها با استفاده از نانو ساختار هاي كربني، مورد ارزيابي و مقايسه قرار مي دهيم.

جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليت ها، كربن فعال شده (AC) غربال هاي مولكولي، كربن اشتقاقي كربيد، بررسي و مطالعه شده است.

اخيراً نانولوله هاي كربني بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت، استقامت كششي زياد، هدايت الكتريكي، بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله هاي کربني به دو صورت تک ديواره (SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) مي باشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است، روي نانولوله هاي كربني تك ديواره صورت گرفته است. اين در حالي است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روي نانولوله هاي كربني چند ديواره محدود مي باشد. اما در بررسي هاي انجام شده به نظر مي رسد، خواص جذب گاز روي SWCNT ها و MWCNTها كاملاً متفاوت مي باشد.

● مکانيزم جذب متان توسط نانولوله هاي کربني

در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرين ها و نانولوله هاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربن هاي هيبريد شده SP۲ از هر دو ماده تشکيل کمپلکس مي دهد.Xianren و[۲ Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH۴ در داخل SWCNT ها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکول هاي CH۴ در SWCNT ها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قوي تر در دماي ۱۲۰ درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننت هاي شبه مايع براي مجموعه پيوند هاي ضعيف تر در ۷۰ تا ۱۲۹ درجه کلوين است.

بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولوله هاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد مي باشد.

همچنين گزارش شده است[۱] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H CNTزيگزاگي)۰.۵۵ eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژن هاي آن خارجي باشند(H CNT آرمچير) و در اين حالت (H CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكول هاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر مي گيرد. به طوري كه متان به طور قوي تري روي سطوح خارجي H CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H CNT زيگزاگي و H CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويه هاي پيوندي H C H در حدود ۱۰۹.۵ درجه است، کشيدکي الکترون هاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر مي گذارد به صورتي که روي اتم هاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود مي آيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولوله هاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد مي باشد.[۳]

در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[۳]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP۲ C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور مي کند. دراين حالت چون اتم هاي هيدروژن مولکول هاي متان به خاطر کشيده شدن الکترون ها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل مي دهند. اين يون مي تواند بطور درون مولکولي، گروه SP۲ C=C را با يک پيوند SP۳ C C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [۱]در واکنش هاي شيميايي است.

اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP۳(C C) از شبکه CNT و SP۳ از مولکول متان ، وارد مي کند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT مي شود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکول هاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب مي شوند. اين پديده مي تواند باعث جذب گاز هاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.

ذخيره سازي گاز به روش ANG

به منظور كنترل دماي فرايند، سلول بارگيري(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطي در يك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمايش بايستي ناخالصي هاي سلول جذب را توسط يك پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء كامل اندازه گيري كرد، زمانيكه دما در سلول هاي بارگيري و جاذب به حد مطلوب رسيد (حالت تعادل اوليه) آزمايش شروع مي شود. ميزان فشار و دما در سلول ها به يك ركوردر موبايل گزارش مي شود و به اين صورت زمان تعادل واكنش در هنگاميكه فشار و دماي فرايند ثابت باقي ماند (حالت تعادل دوم) مشخص مي شود سپس با موازنه جرم (معادله ۱) بر مبناي دما و فشار اندازه گيري شده قبل و بعد از حالت تعادل مي توان ظرفيت جاذب را تعيين كرد.

كه در معادله فوق، P، فشار، T، دما، V، حجم، R، ثابت گاز، M، وزن مولكولي، Z، ضريب تراكم پذيري گاز و Nتعداد مولكول هاي جذب شده است. زيرنويس ۱ نشان دهنده وضعيت تعادلي اوليه و زيرنويس ۲ نشان دهنده وضعيت تعادلي ن هاي ي است.[۴]

مروري بر ذخيره سازي گاز متان در نانو ساختارها

Elena Bekyarova توسط اشتعال ليزري گرافيت، نانوهورن هاي (نانوشاخ) كربني تك ديواره اي (SWNH) را براي ذخيره سازي گاز متان ، در دماي اتاق و بدون كاتاليست، توليد كرد (شكل ۲). سايز و شكل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، كنترل مي شود. اين ساختار هاي كربني در آرگون با فشار۷۶۰ تور آماده مي شوند. بخار كربن ذرات گرافيتي را با سايز يكنواختي در حدود ۸۰ نانومتر توليد مي كند كه از SWNHsبا قطر حدودا ۲ تا ۳ نانومتر تركيب شده اند. دانسيته توده كه در اين روش ذخيره سازي گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار ۵۰ مگا پاسكال زير خلاء)، ۰.۹۷ گرم بر سانتيمتر مكعب مي باشد.

ايزوترم هاي جذب متان با دماي ۳۰۳ كلوين در اين آزمايش بر اساس طبقه بندي BDDT از نوع I مي باشند. داده هاي آزمايشگاهي جاذب SWNHs با داده هاي SWNT هاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي شبيه سازي شده، مقايسه شدند.

ايزترم هاي نانولوله هاي سرباز(opened end) آرايه مربعي و آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي ۰.۳۴ نانومتر(فاصله بين ديواره ها و لوله هاي مجاور) با استفاده از روش GCMC شبيه سازي شده اند. در فشار هاي كم، ظرفيت جاذب SWNHها مشابه با SWNT هاي آرايه مربعي مي باشد اما در فشار هاي بالاتر از ۴ مگا پاسكال نانولوله هاي تك ديواره آرايه مثلثي ظرفيت بيشتري را براي جذب گاز متان نشان مي دهند بنابراين آرايش لوله ها در SWNTها مي تواند فاكتور مهمي در ذخيره سازي گاز متان باشد. ظرفيت ذخيره سازي جاذب هاي SWNHفشرده شده در دماي ۳۰۳ كلوين و فشار ۳.۵ مگا پاسكال، حدود ۱۶۰ cm۳/cm۳ و ظرفيت ذخيره سازي جاذب هاي SWNT با استفاده از روش مونت كارلو و DFT در دماي اتاق و فشار ۴ مگا پاسكال ۱۹۸گرم بر متر مكعب مي باشد و اين در حالي است كه ظرفيت ذخيره سازي كربن فعال شده در دماي ۳۰۳ درجه كلوين و فشار ۳.۵ مگا پاسكال در حدود ۹۶ cm۳/cm۳ است.[۶]

متاسفانه گزارش هاي آزمايشگاهي و تحقيقاتي اندكي درباره ذخيره سازي متان روي آرايه هاي SWNT موجود است. Murise و همكارانش تنها رفتار فازي وجذبي متان روي نانولوله هاي تك ديواره را در دما هاي پايين بررسي كردند.[۶] Talapatra و همكارانش بطورآزمايشگاهي ميزان جذب گاز هاي متان ، گزنون و نئون را روي دسته هاي SWNTاندازه گيري كردند و بطور غيرمنتظره اي مشاهده كردند كه هيچ گازي در فواصل بين آرايه اي SWNT جذب نشده است. [۷]با اين وجود اين بدان معنا نيست كه فواصل بين آرايه هاي SWNT ديگر نمي توانند گاز را جذب كنند. پس از مدتي، در يك مقاله ديگر از همان گروه مشاهده شد كه گاز متان مي تواند در دسته هاي SWNT سردسته (Closed end)، جذب شود. [۸]بنابر اين مشاهدات و مقايسه آنها با شبيه سازي هاي Bekyarova مي توان به اين نتيجه رسيد كه فاصله واندروالس يك فاكتور اوليه موثر روي ميزان جذب متان در فواصل بين آرايه هاي SWNT است .

در پي اين نتيجه، Cao و همكارانش تحقيقات خود را در راستاي بهينه سازي فاصله واندروالس بين لوله ها در آرايه هاي SWNT ادامه دادند. اين گروه با استفاده از روش مونت كارلو جذب متان را روي SWNT هاي آرايه مثلثي در دماي اتاق بررسي كردند. در ديواره اين نانولوله ها اتم هاي كربن به صورت آرميچير قرار گرفته اند. از نتايج اين كار مشخص شد كه SWNT با آرايه مثلثي و فاصله واندروالسي ۰.۸ نانومتر بيشترين مقدار گاز متان را در دماي اتاق جذب مي كند. در فشار ۴.۱ مگا پاسكال ظرفيت حجمي و ظرفيت جرمي جذب متان روي آرايه هاي SWNT(۱۵,۱۵) با فاصله واندروالسي۰.۸ نانومتر۲۱۶ v/v و۲۱۵g CH۴/Kg است.[۹]

همانطور كه گفته شد مطالعات و تحقيقات جذب گاز متان روي نانولوله هاي كربني چند لايه نسبت به نانولوله هاي كربني تك لايه محدودتر مي باشد. از جمله كساني كه در اين زمينه كار كرده است Sunny E.Iykenv از كشور مالزي است. وي توانست نانولوله هاي كربني چند ديواره را با تكنيك رسوبدهي بخار شيميايي كاتاليست شناور(FCCVD) توليد كند. اين تكنيك مي تواند در توليد انبوه نانولوله هاي چند ديواره با هيبريد هاي مختلف مورد استفاده قرار گيرد. نانولوله هاي كربني با هيبريد SP۲ داراي بزرگترين سايز روزنه هستند.

سايز روزنه در SP۲ ۴۴.۴ نانومتر و در SP۱ وSP۳ وSP۴ به ترتيب برابر ۹.۱و۸.۹و۸.۷ نانومتر است. گاز متان بصورت مايع و شبه جامد روي نانولوله هاي توليد شده جذب مي شود. ايزوترم هاي بدست آمده از آناليزر BET در اين آزمايش در شكل ۵ نشان داده شده است. همان طور كه مشاهده مي شود، ايزوترم هاي جذب براي كربن هاي SP۱ و SP۲از نوع III مي باشند در حاليكه ايزوترم هاي جذب متان براي كربن SP۳ داراي سه نقطه اوج است كه احتمالا مربوط به تغيير فاز مي باشند. از اين گذشته ايزوترم دماي ۱۵ درجه سانتيگراد داراي دو نقطه اوج مي باشد كه نمايشگر نقاط تغيير فاز مي باشند.

در اين آزمايش مشاهده مي شود كه جذب متان توسط نانولوله هاي كربني چندلايه نسبتا پايين است در حاليكه با افزايش فشار بر مقدار گاز جذب شده اضافه مي شود.

پس از آن در آزمايش هاي ي كه توسطJae Wook Lee انجام شد، نانولوله هاي كربني چند ديواره با روش رسوب دهي بخار شيميايي(CVD) با طول يكنواخت و قطر مشخص ساخته شدند، شكل۱۰ تصاوير TEMوSEM نانولوله هاي چندلايه كربني ساخته شده را نشان مي دهد. ضخامت ديواره ها در حدود ۱۵ تا ۲۰ نانومتر و طول آنها در حدود ۲۰ تا ۳۰ ميكرومتر و دانسيته توده در حدود ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۰۶ گرم بر سانتي متر مكعب است.

در اين آزمايش گاز متان مورد استفاده داراي خلوص ۹۹.۹ درصد است. نتايج آزمايشگاهي كه در اين روش بدست آمده است در دما هاي ۳۰۱.۱۵ و۳۱۳.۱۵ و۳۲۳.۱۵ كلوين و در فشاري تا ۳ مگا پاسكال موجود مي باشد كه در جدول ۱ نشان داده شده است. همانطور كه از اين جدول پيداست ظرفيت نانولوله هاي چند ديوارهكربني در فشار هاي پايين تر از ۱.۵ مگا پاسكال بسيار كم مي باشد در حاليكه در فشار هاي بالاتر نيز ميعان موئينگي رخ مي دهد. به علاوه فشار ميعان موئينگي با دما افزايش مي يابد. [۱۰]در شكل ۶ ايزوترم هاي جذب متان نشان داده شده اندكه مشاهده مي شود ايزوترم هاي جذب متان در گستره دمايي اين آزمايش، از نوعIV مي باشند.[۴]

●● نتيجه گيري

بررسي جذب گاز درنانو ساختارها نشان مي دهد كه پارامتر هاي روزنه و دانسيته جادب مي تواند در ميزان جذب گاز بسيار موثر باشد به طوري كه خواص روزنه ها در SWNH هاي فشرده شده به گونه اي است كه در دماي ۳۰۳ درجه كلوين و فشار ۳.۵ مگا پاسكال، ظرفيت ذخيره سازي گاز متان اين نوع جاذب ۱۶۰ v/v مي باشد. در ارتباط با SWNTها مي توان گفت كه آرايش آنها و فاصله واندروالسي در آنها از پارامتر هاي مهم در ميزان ذخيره سازي گاز طبيعي مي باشد. همانطور كه در نمودار شكل ۲ نشان داده شده است، ميزان جذب گاز در SWNT هاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي در فشار هاي پايين تقريبا يكسان است و اين ميزان در فشار هاي بالاتر از ۴ مگا پاسكال در SWNT هاي آرايه مثلثي افزايش مي يابد.

همچنين SWNT هاي آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي ۰.۳۴ نانومتر در فشار ۴.۱۱ مگاپاسكال ظرفيتي در حدود ۱۷۰ v/v براي ذخيره سازي گاز متان دارند در حاليكه اين ظرفيت در SWNT هاي بهينه شده با فاصله واندروالسي ۰.۸ نانومتردر شرايط يكسان به ۲۱۶ v/v مي رسد كه حتي بيشتر از ظرفيت ذخيره سازي CNGدر فشار هاي ۲۰ تا ۳۰ مي باشد(۲۰۰ v/v).


نویسنده: پژمان خسروی

.:: آخرین مطالب ::.

» ( پنجشنبه سی ام آذر 1391 )
» كاربرد نانو مواد در مشبك كاري ( perforation)صنايع بالادستي نفت ( سه شنبه بیست و ششم فروردین 1393 )
» از فواید چای ( یکشنبه دهم فروردین 1393 )
» آنچه باید درباره غذاهای حاضری بدانید!!!!!!!! ( شنبه سوم اسفند 1392 )
» آیا می توان ماشینی درست کرد که به جای بنزین با اب کار کند؟ ( پنجشنبه بیست و چهارم بهمن 1392 )
» اثرات آلودگی هوا بر نباتات ( یکشنبه ششم بهمن 1392 )
» بهران های زیست محیطی ( چهارشنبه دوم بهمن 1392 )
» دیفن هیدرامین ( یکشنبه بیست و دوم دی 1392 )
» فناوری نانو ( چهارشنبه یازدهم دی 1392 )
» تصفیه اب ( چهارشنبه یازدهم دی 1392 )
» معرفی آئروژل‌ها (Aerogels) ( دوشنبه نهم دی 1392 )
» آشنایی با دستگاه طیف سنجی جذب اتمی ( دوشنبه نهم دی 1392 )