شبیه سازی دینامیک مولکولی تصفیه آب با استفاده از نانو ورق های زئولیت نوع MFI
چکیده
سم زدایی و تصفیه آب موضوع مهمی است و از محیط زیست و اکوسیستم محافظت می کند. در این مقاله، امکان استفاده از زئولیت نوع MFI برای زدودن مواد شیمیایی خطرناک از آب آلوده، مورد مطالعه قرار گرفته است. به-منظور مشاهده پتانسیل نانوورق متخلخل زئولیت در راستای جداسازی دو آلاینده اصلی خطرناک، یعنی کلراید جیوه (HgCl2) و کلراید مس (CuCl2) از آب، آنالیز دینامیک مولکولی غیرتعادلی انجام شد. سیستم اسمزی معکوس، شبیه سازی گردید و در فشارها القایی مختلف از بازه 10 تا 200 مگاپاسکال مورد سنجش قرار گرفت. جزئیات مربوط به زدودن یون ها، شار آب، تجمع مولکول های آب در موقعیت های مختلف، تعداد پیوندهای هیدروژنی، میانکنش های وان در والس، مسیر ردیابی یون ها، و تابع توزیع شعاعی بین مولکول های آب و یون ها، بررسی گردید. نتایج نشان می دهند که نانوغشای زئولیت نوع MFI، با وجود شار زیاد آب می تواند بطور مؤثر مانع نفوذ یون های جیوه، مس و کلرید از عرض غشا گردد. این رفتار زئولیت موجب می شود این ماده، کاندیدای رقابتی در صنعت تصفیه آب باشد و آن را از سایر غشاهای نانوساختار، مجزا می سازد.
1. مقدمه
ارتقاء وضعیت سلامتی و پایین آمدن اثر(ردّپا) کربن، دو دلیل برجسته ای هستند که تصفیه آب را در اولویت قرار می دهند. وجود مواد شیمیایی و سایر مواد سمی در ذخایر آبی می توانند طیف وسیعی از مشکلات سلامتی از قبیل خطر بالاتر ابتلا به سرطان و بروز نقایص هنگام تولد را موجب شوند. بنابراین، یافتن راهی برای جداسازی این ناخالصی ها از آب، بسیار مهم است. در بین مواد شیمیایی، کلراید مس (CuCl2) یکی از مواد خطرناکی است که در فهرست مواد زیان آور برای سلامتی (SHHS) قرار دارد و می تواند به کبد، کلیه و بینی آسیب برساند، موجب سوزش معده، گلو و ریه شود، پوست و چشم را بسوزاند و احتمالا موجب آسیب دیدگی چشم و بینایی گردد [1]. کلراید جیوه (HgCl2) یکی دیگر از مواد شیمیایی خطرناک است که از طریق استنشاق و احتمالا جذب پوستی می تواند بر سلامتی انسان تأثیر بگذارد. این ماده شیمیایی که در فهرست مواد خطرناک برای سلامتی نیز قرار دارد به عنوان ماده ای بسیار سمی با اثرات ماندگار برای حیات آبی شناخته می شود [2]. قرار گرفتن در معرض این ماده می تواند موجب خارش پوست و سوزش چشم گردد و ممکن است به توانایی تولیدمثلی فرد آسیب برساند. قرار گرفتن در معرض مکررکلرید جیوه می تواند باعث آسیب رساندن به اندام ها و سرطان زایی شود، و کشنده باشد.
4. نتیجه گیری
با کمک شبیه سازی های دینامیک مولکولی غیرتعادلی، نشان داده شد که چگونه غشای زئولیت نوع MFI می تواند بازدهی بالایی برای خالص سازی آب داشته باشد. دو ماده شیمیایی خطرناک (کلراید مس و کلراید جیوه) به آب درون جعبه شبیه سازی، افزوده شدند. برای بررسی روند تفکیک در سیستم اسمزمعکوس، فشارهای مختلفی از 10مگاپاسکال تا 200 مگاپاسکال به سیستم، اعمال گردید. در تمام فشارهای اعمال شده به این سیستم، غشای زئولیت 100درصد یون های مس و جیوه را از آب زدود؛ فرازنی بیش از 6/97درصد یون های کلر در فشار 100 مگاپاسکال، فرازنی 6/93درصد این یون ها در فشار 200مگاپاسکال، و فرازنی 100درصد یون های کلر در فشارهای پایین تر، توسط این غشا مقدور بود. وجود توأمان دو ویژگی: شار بالای آب و فرازنی یون، به عنوان دو عامل مهم در صنعت تولید غشاهای تصفیه، در زئولیت بکاررفته در این پژوهش مشاهده گردید. این رفتارهای زئولیت MFI، آن را به کاندیدی مناسب در عرصه رقابت برای تصفیه سریع و کارآمد آب، تبدیل می کند. علاوه براین، با پیشرفت فناوری ساخت محصولات صنعتی، این غشا می تواند برای کاربرد در دنیای واقعی، بطور مداوم، و به مقدارزیاد (برای تمام دنیا) تولید شود و ساخت آن، مقرون به صرفه باشد.
Abstract
Water purification and detoxification is an important topic that protects the environment and ecosystems. The feasibility of using Zeolite MFI as a nanostructured membrane to remove hazardous chemicals from a contaminated water solution is studied in this paper. A non-equilibrium molecular dynamics analysis was performed to see the potentials of the zeolite porous nanosheet to separate the mercury chloride (HgCl2) and copper chloride (CuCl2) from water as two major hazardous contaminants. A reverse osmosis system was simulated and tested at different induced pressures from 10 to 200 MPa. Ion removal, water flux, water molecules accumulation at different locations, number of hydrogen bonds, Van der Waals interactions, ions tracking path and radial distribution function between water molecules and the ions, were investigated in detail. The results indicated that the zeolite MFI nanomembrane can effectively prevent mercury, copper and chlorine ions from permeation while keeping a large water flux through the membrane. This behavior of the zeolite introduces a competitive candidate for the water purification industry and sets it apart from other nanostructured membranes.
1. Introduction
Improving health and lowering carbon footprint are two leading reasons that make water purification a priority. The presence of chemicals and other toxic materials in water sources can cause a broad range of health issues including higher risk of cancer and birth defects. Therefore, it is very important to find a way to keep these impurities out from water. Among the chemicals, copper chloride (CuCl2) is one of the hazardous chemicals that is on the Special Health Hazardous Substances (SHHS) list and can damage the liver, kidneys, nose, irritating the stomach, throat and lung, burn the skin and eyes with possible eye damage [1]. Another hazardous chemical in water that affects human when inhaled and maybe absorbed through the skin is mercury chloride (HgCl2). This hazardous chemical, which is also on the SHHS list, is known as very toxic to aquatic life with long-lasting effects [2]. It can irritate the skin and eyes upon exposure and may cause reproductive damage. Repeated exposure can damage organs, cause cancer and can be fatal
4. Conclusions
By means of non-equilibrium MD simulations, it was shown that how zeolite MFI membrane can be highly efficient for water purification. The two hazardous chemicals, the copper chloride and mercury chloride, were added to water in the simulation box. Various pressures were applied to the system for investigating the separation process in a reverse osmosis system, from 10 MPa to 200 MPa. In all applied pressures to the system, the zeolite membrane rejected 100% of the copper and mercury ions from water with a high chlorine ions rejection of 97.6% at 100 MPa and 93.6% at 200 MPa and 100% at other lower applied pressures. Simultaneous high-water flux and ion rejection, as an important factor in membrane technology, was seen in the implemented zeolite. These behaviors of the zeolite MFI make it a competitive candidate for fast and efficient water purification. Furthermore, with improvement of industrial fabrication technology, it could be produced to be stable and large enough for realistic applications as an earth-abundant and cost-effective material.
چکیده
1. مقدمه
2. جزئیات مربوط به محاسبات
3. نتایج و بحث
4. نتیجه گیری
ABSTRACT
1. Introduction
2. Computational details
3. Results and discussions
4. Conclusions
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- 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