شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جداسازی مخلوط آب- استون توسط نانولوله‌های کربنی و بررسی تأثیر اندازه نانولوله‌ها و فشار هیدرواستاتیک اعمالی در روند جداسازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه فرهنگیان، تهران، ایران

چکیده

در بسیاری از فرایندهای صنعتی، حلّال استون به نسبت‌های مختلف با آب مخلوط می‌شود و جداسازی این مخلوط‌ها بدون صرف هزینه و انرژی زیاد ممکن نیست. امروزه پژوهشگران در پی یافتن روش‌هایی هستند که بدون صرف انرژی زیاد، امکان جداسازی کامل‌تر و بهتر حلّال‌ها فراهم شود. لذا با توجه به اهمیت فرایندهای جداسازی حلّال‌های مختلف از همدیگر و استفاده دوباره از آنها در صنعت، در این پژوهش برای اولین بار شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جداسازی مخلوط آب- استون با استفاده از نانولوله‌های کربنی صندلی‌شکل انجام شد. به‌منظور جداسازی مخلوط آب- استون نانولوله‌های کربنی صندلی‌شکل با کایرالیته (5،5) و (6،6) استفاده شد که در واقع نانولوله‌های کربنی به‌عنوان فیلتر جداکننده برای مخلوط آب- استون عمل کردند. برای این منظور از روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی استفاده شد. همچنین فشار هیدرواستاتیک، به‌عنوان یک نیروی خارجی، به سیستم مورد نظر اعمال شد تا گونه‌های موجود در سیستم با عبور انتخاب‌پذیر از داخل نانولوله‌ها از همدیگر جدا شوند. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که با تغییر نوع نانولوله، فرایند جداسازی این مخلوط، رفتار متفاوتی نشان می‌دهد، به‌طوری که با استفاده از نانولوله‌های کربنی (5،5) با قطر کوچک‌تر، جداسازی کامل این مخلوط انجام شد، در حالی که در حضور نانولوله‌های کربنی (6،6) با قطر بزرگ‌تر، جداسازی به صورت کامل انجام نشد و از هر دو حلّال به نسبت‌های مختلف از این نوع نانولوله عبور کردند که مطلوب نبود. برای درک بهتر نتایج و تفسیر آنها، برخی آنالیزها شامل مقدار عبوری مولکول‌های آب و استون، پروفایل دانسیته، پتانسیل نیروی میانگین، زمان بازداری و پیوندهای هیدروژنی بین گونه‌های سیستم نیز استخراج شد. با توجه به نتایج این پژوهش، از نانولوله‌های کربنی با قطر مناسب برای جداسازی برخی مخلوط‌های آبی از جمله مخلوط آب- استون می‌توان استفاده کرد و به گونه‌های خالص هر یک از حلّال‌ها دست یافت که این امر باعث استفاده مجدد از آنها و صرفه‌جویی در هزینه‌ها خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Molecular Dynamics Simulation of Separation of Water-Acetone Mixture Using Carbon Nanotubes and Investigating the Effect of Nanotubes Size and Applied Pressure on the Separation Process

نویسنده [English]

  • Jafar Azamat
Assist. Prof., Dept. of Chemistry, Faculty of Basic Sciences, Farhangian University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In many industrial processes, the acetone solvent is mixed with water in various proportions, and it is not possible to separate these mixtures without consuming a great deal of cost and energy. Nowadays, scientists are looking at some methods to separate solvents more efficiently without consuming too much energy. Therefore, given the importance of different solvent separation processes and their reuse in industry, in this research, for the first-time molecular dynamics simulation of water-acetone mixture separation using armchair carbon nanotube was performed. To separate the water-acetone mixture, the (5,5) and (6,6) armchair carbon nanotube was used so that these nanotubes acted as a separator filter for the water-acetone mixture. For this, we used molecular dynamics simulation method. Also, the hydrostatic pressure, as an external force, was applied to the desired system to separate water and acetone from each other with selectively passing them through the nanotubes. The results showed that by changing the type of the nanotube, the process of separating this mixture showed a different behavior; so that, this mixture was completely separated using the (5,5) carbon nanotube with small diameter, while in the presence of (6.6) carbon nanotube with large diameter, the separation was not complete and both solvents passed through this type of nanotube in different proportions, which was not desirable. To better understand the results and their interpretation, some analyses including the permeated water or acetone molecules through nanotubes, the density profile, the potential of the mean force, retention time, and hydrogen bonds of the system were also extracted. According to the results of the present study, armchair carbon nanotubes with suitable diameter can be used for separation of some aqueous mixtures, including water-acetone mixture, which will enable us to obtain pure species of each solvent, allowing them to be reused and save costs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Molecular Dynamics Simulation
  • Carbon Nanotube
  • Water
  • Acetone
  • PMF
  • Separation

مراجع

Ansari, P., Azamat, J. & Khataee, A. 2019. Separation of perchlorates from aqueous solution using functionalized graphene oxide nanosheets: a computational study. Journal of Materials Science, 54, 2289-2299.
Azamat, J. & Khataee, A. 2016a. Removal of nitrate ion from water using boron nitride nanotubes: insights from molecular dynamics simulations. Computational and Theoretical Chemistry, 1098, 56-62.
Azamat, J. & Khataee, A. 2017. Molecular dynamics simulations of removal of cyanide from aqueous solution using boron nitride nanotubes. Computational Materials Science, 128, 8-14.
Azamat, J., Khataee, A. & Sadikoglu, F. 2018. Computational study on the efficiency of MoS2 membrane for removing arsenic from contaminated water. Journal of Molecular Liquids, 249, 110-116.
Azamat, J. & Sardroodi, J. J. 2014. The permeation of potassium and chloride ions through nanotubes: a molecular simulation study. Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly, 145, 881-890.
Azamat, J., Sardroodi, J. J., Mansouri, K. & Poursoltani, L. 2016b. Molecular dynamics simulation of transport of water/DMSO and water/acetone mixtures through boron nitride nanotube. Fluid Phase Equilibria, 425, 230-236.
Barzegar, A., Mansouri, A. & Azamat, J. 2016. Molecular dynamics simulation of non-covalent single-walled carbon nanotube functionalization with surfactant peptides. Journal of Molecular Graphics and Modelling, 64, 75-84.
Cohen-Tanugi, D. & Grossman, J. C. 2014. Water permeability of nanoporous graphene at realistic pressures for reverse osmosis desalination. The Journal of Chemical Physics, 141, 074704.
Fang, C., Wu, H., Lee, S.-Y., Mahajan, R. L. & Qiao, R. 2018. The ionized graphene oxide membranes for water-ethanol separation. Carbon, 136, 262-269.
Heiranian, M., Farimani, A. B. & Aluru, N. R. 2015. Water desalination with a single-layer MoS2 nanopore. Nature Communications, 6, 8616.
Humphrey, W., Dalke, A. & Schulten, K. 1996. VMD: visual molecular dynamics. Journal of Molecular Graphics, 14, 33-38.
Jafarzadeh, R., Azamat, J., Erfan-Niya, H. & Hosseini, M. 2019. Molecular insights into effective water desalination through functionalized nanoporous boron nitride nanosheet membranes. Applied Surface Science, 471, 921-928.
Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W. & Klein, M. L. 1983. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. The Journal of Chemical Physics, 79, 926-935.
Khataee, A., Azamat, J. & Bayat, G. 2016. Separation of nitrate ion from water using silicon carbide nanotubes as a membrane: insights from molecular dynamics simulation. Computational Materials Science, 119, 74-81.
Lee, K. P., Arnot, T. C. & Mattia, D. 2011. A review of reverse osmosis membrane materials for desalination—development to date and future potential. Journal of Membrane Science, 370, 1-22.
Likhodii, S. S., Serbanescu, I., Cortez, M. A., Murphy, P., Snead, O. C. & Burnham, W. M. 2003. Anticonvulsant properties of acetone, a brain ketone elevated by the ketogenic diet. Annals of Neurology, 54, 219-226.
Liu, F., Liu, L. & Feng, X. 2005. Separation of acetone-butanol-ethanol (ABE) from dilute aqueous solutions by pervaporation. Separation and Purification Technology, 42, 273-282.
Nanok, T., Artrith, N., Pantu, P., Bopp, P. A. & Limtrakul, J. 2009. Structure and dynamics of water confined in single-wall nanotubes. The Journal of Physical Chemistry A, 113, 2103-2108.
Núñez-Rojas, E., Flores-Ruiz, H. M. & Alejandre, J. 2018. Molecular dynamics simulations to separate benzene from hydrocarbons using polar and ionic liquid solvents. Journal of Molecular Liquids, 249, 591-599.
Phillips, J. C., Braun, R., Wang, W., Gumbart, J., Tajkhorshid, E., Villa, E., et al. 2005. Scalable molecular dynamics with NAMD. Journal of Computational Chemistry, 26, 1781-1802.
Schmidt, M. W., Baldridge, K. K., Boatz, J. A., Elbert, S. T., Gordon, M. S., Jensen, J. H., et al. 1993. General atomic and molecular electronic structure system. Journal of Computational Chemistry, 14, 1347-1363.
Shi, Q., He, Z., Gupta, K. M., Wang, Y. & Lu, R. 2017. Efficient ethanol/water separation via functionalized nanoporous graphene membranes: insights from molecular dynamics study. Journal of Materials Science, 52, 173-184.
Soetens, J.-C. & Bopp, P. A. 2015. Water–methanol mixtures: simulations of mixing properties over the entire range of mole fractions. The Journal of Physical Chemistry B, 119, 8593-8599.
Taheri, S., Lakmehsari, M. S. & Soltanabadi, A. 2017. Separation based adsorption of ethanol–water mixture in azeotropic solution by single–walled carbon, boron-nitride and silicon-carbide nanotubes. Journal of Molecular Graphics and Modelling, 75, 149-164.
Thomas, M. & Corry, B. 2016. A computational assessment of the permeability and salt rejection of carbon nanotube membranes and their application to water desalination. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 374, 20150020.
Tunuguntla, R. H., Henley, R. Y., Yao, Y.-C., Pham, T. A., Wanunu, M. & Noy, A. 2017. Enhanced water permeability and tunable ion selectivity in subnanometer carbon nanotube porins. Science, 357, 792-796.
Werber, J. R., Osuji, C. O. & Elimelech, M. 2016. Materials for next-generation desalination and water purification membranes. Nature Reviews Materials, 1, 16018.
Winarto, Takaiwa, D., Yamamoto, E. & Yasuoka, K. 2015. Water–methanol separation with carbon nanotubes and electric fields. Nanoscale, 7, 12659-12665.
Wu, G., Robertson, D. H., Brooks, C. L. & Vieth, M. 2003. Detailed analysis of grid‐based molecular docking: a case study of CDOCKER-A CHARMm‐based MD docking algorithm. Journal of Computational Chemistry, 24, 1549-1562.
Zhang, N., Li, W., Chen, C. & Zuo, J. 2013. Molecular dynamics simulation of aggregation in dimethyl sulfoxide–water binary mixture. Computational and Theoretical Chemistry, 1017, 126-135.
مجله آب و فاضلاب
دوره 31، شماره 4 - شماره پیاپی 128
مهر و آبان 1399
صفحه 27-39

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار