مدل سازی مولکولی حمل و نقل Co2 در مونت موریلونیت
چکیده
ذخیره‌سازی Co2 در سفره‌های زیر زمینی آب شور برای کاهش انتشار Co2 در اتمسفر موثر است که در آن پخش و نفوذ گاز یا مایع در کانی رسی، نقش کلیدی در نشت Co2 و مهاجرت زیرزمینی دارد. قابلیت نفوذ CO2 و قابلیت پخش سیالات مختلف در کانی رسی (مونت‌موریلونیت، Mt) با روش دینامیک مولکولی (MD) مورد بررسی قرار می‌گیرد. قابلیت خود پخشی هر دو ترکیب CO2 و H2O همراه با غلظت و دمای آب افزایش می‌یابد، اما بیشینه غلظت CO2 را به صورت نامتعارف 2 مولکول/واحد-سلول نشان می‌دهند . حجم آزاد کسری مونت‌موریلونیت همراه با غلظت CO2افزایش می‌یابد، اما اگر این غلظت بیشتر از ۲ باشد، سیر کاهشی پیدا کرده و در نتیجه باعث می‌شود قابلیت خود پخشی CO2 فراتر از حد غیرمعمول تغییر کند. یافته‌ها نشان می‌دهد که توزیع جابجایی مولکول‌های CO2 براساس توزیع عادی لگاریتمی مشخص می‌شود. مقدار میانگین این‌نوع توزیع، بیشتر مؤید وابستگی قابلیت خود پخشی در غلظت CO2 است. قابلیت‌های پخش مکسول-استفان (M-S) و فیک (Fick) رابطه مثبتی با غلظت و دمای CO2 دارد . قابلیت نفوذ CO2 برای اولین بار با روش دینامیک مولکولی محاسبه می‌شود؛ بدین صورت که قابلیت نفوذ CO2 همراه با فشار CO2 و غلظت H2O افزایش می‌یابد، اما به علت حلالیت پایین CO2 در دمای بالا، نقطه گردش را در دمای ۳۶۰ کلوین نشان می‌دهد.
1.مقدمه
ذخیره‌سازی CO2 در سفره‌های زیرزمینی آب شور امکان ذخیره CO2 را در مقیاس گسترده و به صورت بلندمدت فراهم می‌کند که به نوبه‌ی خود روشی نویدبخش برای کاهش انتشار گاز CO2 در اتمسفر است. در این فرآیند، کانی‌های رسی مانند ایلیت، کلوریت، کائولینیت و مونت‌موریلونیت (Mt) (ژوزف و همکاران، 2012) عناصر اصلی پوش سنگ‌ها را تشکیل می‌دهند. این کانی‌های رسی به واسطه ساختار متخلل (لایه لایه) شان ظرفیت قابل ملاحظه‌ای در جذب CO2 دارند (فو و همکاران، 1990؛ خسروخاور و همکاران، 2014). از طرفی، قابلیت نفوذ پایین کانی رسی موجب شده است که پوش سنگ‌های رسی، قابلیت آب‌بندی فوق العاده‌ای برای نگهداری CO2 تزریق‌شده از خود نشان دهند (عبدو و احمد، 2010؛ گاوس، 2010؛ گرنوت و همکاران، 2013). نشت گاز و اثرات زیست محیطی آن، مسائل بسیار نگران‌کننده‌ای در ارزیابی خطر ذخیره‌سازی CO2 هستند و رابطه تنگاتنگی نیز با حمل و نقل (پخش و نفوذ) سیال (گاز) در کانی رسی دارند.
4. نتیجه‌گیری
پخش و نفوذ CO2 در مونت‌موریلونیت تحت شرایط متخلف با روش دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بررسی حاکی از آن است که با این‌که حجم و دمای آب هر دو رابطه مثبتی با ضریب خودپخشی سیالات دارند، ضرایب خودپخشی CO2 و H2O یک نقطه اوج را به همراه افزایش غلظت CO2 به نمایش می‌گذارند. برای تشریح هر چه بیشتر یافته‌های غیرمعمول ضریب خودپخشی، FFV مونت‌موریلونیت و توزیع جابه‌جایی CO2 مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. نتایج این تحلیل نشان داد که FFV تأثیر مهمی بر پخش مولکول‌های گاز در مونت‌موریلونیت دارد. افزایش غلظت CO2 باعث می‌شود مونت موریلونیت انبساط یابد، FFV داخلی مونت موریلونیت افزایش پیدا کند و فضای بیشتری برای پخش در اختیار مولکول‌های گاز قرار گیرد. این قضیه، علت افزایش اولیه ضریب خودپخشی سیالات در مونت موریلونیت را تبیین می‌کند. FFV با رسیدن غلظت CO2 به بالای 2 مولکول/سلول واحد کاهش می‌یابد که باعث می‌شود پخش گاز به تعویق بیفتد و در نتیجه ضریب خودپخشی کاهش پیدا کند. بدین ترتیب، افزایش حجم آب نیز باعث انبساط مونت‌موریلونیت می‌شود و فضای آزاد بیشتری برای غلظت CO2 ایجاد می‌کند که افزایش ضریب خودپخشی را در پی دارد. از این رو می‌توان چنین استنباط کرد که ضریب خودپخشی سیال در مونت‌موریلونیت به FFV مونت‌موریلونیت بستگی دارد. علاوه بر این، توزیع جابه‌جایی CO2 از توزیع لگاریتمی عادی پیروی می‌کند و میانگین توزیع نیز روندی همانند روند ضریب خودپخشی را نشان می‌دهد که از یک منظر دیگر، توصیف مناسبی درباره اثرات غلظت CO2، رطوبت و دما در ضریب خودپخشی ارائه می‌دهد.
Abstract
CO2 storage in underground saline aquifers is helpful to reduce CO2 emission in the atmosphere, where gas/fluid diffusion and permeation in clay mineral plays a key role in CO2 leakage and underground migration. CO2 Permeability and different fluid diffusivities in clay mineral (montmorillonite, Mt) interlayers are investigated by molecular dynamics (MD). Both CO2 and H2O self-diffusivities increase with water concentration and temperature but show a maximum at the CO2 concentration of 2 molecule/unit-cell unconventionally. The fractional free volume of Mt increases with CO2 concentration but begins to decrease if CO2 concentration exceeds 2, thus giving the reason for the above unusual CO2 self-diffusivity variation. Displacement distribution of CO2 molecules is found to be characterized by logarithmic normal distribution. The mean value of such distribution further supports the self-diffusivity dependence on CO2 concentration. M-S and Fick diffusivities of CO2 are positively related to CO2, H2O concentration and temperature. CO2 permeability is calculated by MD for the first time, which increases with CO2 pressure and H2O concentration but exhibits a turning point at temperature 360 K due to low CO2 solubility at high temperature.
1. Introduction
CO2 storage in underground saline aquifers provides long-term and large-scale storage of CO2, which is a promising way to reduce CO2 emission in the atmosphere. In this process, clay minerals, such as illite, chlorite, kaolinite, and montmorillonite (Mt) (Josh et al., 2012), are the main components of caprocks. Owing to their porous (layered) structure, the clay minerals have remarkable capacity of adsorbing CO2 (Fu et al., 1990; Khosrokhavar et al., 2014). On the other hand, clay mineral has a low permeability and therefore the clay-enriched caprocks show excellent sealing ability to retain injected CO2 (Abdou and Ahmaed, 2010; Gaus, 2010; Gernot et al., 2013). Gas leakage and environmental impacts are the most concerned problems for risk assessments of CO2 storage, which are closely related to fluid (gas) transportation (diffusion and permeation) in clay mineral.
4. Conclusions
CO2 diffusion and permeation in Mt under varying conditions is investigated by MD. The results show that while both water content and temperature are positively correlated to the SDC, the SDCs of CO2 and H2O display a peak with the increase of CO2 concentration. To explain the unusual findings of the SDC further, FFV within Mt and the displacement distribution of CO2 is analyzed. It is found that FFV has an important effect on the diffusion of gas molecules in Mt. The increase of CO2 concentration causes the Mt to expand, increasing the internal FFV of Mt and providing gas molecules with more space for diffusion. This explains the initial increase of the fluid SDC in Mt. FFV begins to decrease when the CO2 concentration rises above 2 molecules/unit cell, which hinders the gas diffusion and therefore leads to decreasing SDC. Similarly, the increase of water content also causes the Mt to expand and creates more free space for CO2 diffusion, resulting in increasing CO2 SDC. It can be drawn that SDC of the fluid in Mt depends on the FFV of Mt. Furthermore, the displacement distribution of CO2 follows log-normal distribution, and the mean of the distribution shows the same trend as the SDC, which provides a good explanation of the effects of CO2 concentration, moisture and temperature on SDC from another perspective.
چکیده
1. مقدمه
2. روش ها
2.1. جنبه های نظری
2.2. جزئیات شبیه سازی دینامیک
3. نتایج و بحث
3.1. SDC
3.2. MDC و FDC
3.3. قابلیت نفوذ
4. نتیجه گیری
ABSTRACT
1. Introduction
2. Methods
2.1. Theoretic aspects
2.2. Molecular dynamics simulation details
3. Results and discussion
3.1. SDC
3.2. MDC and FDC
3.3. Permeability
4. Conclusions
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه