مروری بر ذخیره سازی متان در نانولوله های کربنی | تعبیرستان
مروری بر ذخیره سازی متان در نانولوله های کربنیعلم و فناوریدانستنیها
×
بستن

مروری بر ذخیره سازی متان در نانولوله های کربنی

یکی از مسائلی که امروزه در مبحث انرژی مطرح است، چگونگی ذخیره سازی سوخت های پاکی مانند هیدروژن، متان و... برای كاربردهای مختلف است. در حالت عمومی ذخیره سازی گاز
مروری بر ذخیره سازی متان در نانولوله های کربنی طبیعی فشرده در وسایط نقلیه در سیلندرهای استیل سنگین و در فشارهای بالا (۲۰ تا ۳۰ مگا پاسكال)صورت می پذیرد در حالیكه ذخیره سازی گاز به روش ANG(adsorbed natural gas) در محفظه های سبك و با فشارهای نسبتا پائینی (در حدود ۴ مگا پاسكال)صورت می پذیرد، بنابراین ذخیره سازی گاز طبیعی به روش ANG می تواند یك انتخاب بسیار موثرتر باشد زیرا در فشارهای پایین هزینه های كمتری صرف ذخیره سازی می شود.
امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب های متنوعی مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقی كربید(CDC)، زئولیت ها و نانولوله های كربنی تك دیواره(SWCNT)، نانولوله های كربنی چند دیواره(MWCNT)و... صورت می پذیرد. در این مقاله مروری داریم بر مكانیزم ذخیره سازی گاز متان با استفاده از نانولوله های كربنی و در نهایت نتایج كار محققان مختلف را در زمینه ذخیره سازی گاز ها با استفاده از نانو ساختارهای كربنی، مورد ارزیابی و مقایسه قرار می دهیم.
جذب گاز طبیعی در مواد متخلخلی مانند زئولیت ها، كربن فعال شده (AC) غربال های مولكولی، كربن اشتقاقی كربید، بررسی و مطالعه شده است.
اخیراً نانولوله های كربنی بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل یكنواخت، استقامت كششی زیاد، هدایت الكتریكی، بسیار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله های کربنی به دو صورت تک دیواره (SWCNT) و چند دیواره (MWCNT) می باشند. تحقیقات زیادی به منظور جذب گاز متان كه یكی از اجزای مهم گازطبیعی است، روی نانولوله های كربنی تك دیواره صورت گرفته است. این در حالی است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روی نانولوله های كربنی چند دیواره محدود می باشد. اما در بررسی های انجام شده به نظر می رسد، خواص جذب گاز روی SWCNT ها و MWCNTها كاملاً متفاوت می باشد.
مکانیزم جذب متان توسط نانولوله های کربنی
در مطالعه ای که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هیدروژن با فولرین ها ونانولوله های كربنی نشان دهنده این مطلب بود که یون هیدروژن H+ با کربن های هیبرید شده SP۲ از هر دو ماده تشکیل کمپلکس می دهد.Xianren و[۲ Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبیه سازی GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) برای بررسی جذب CH۴ در داخل SWCNT ها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگی نوترون برای تشخیص نفوذ مولکول های CH۴ در SWCNT ها استفاده کرد و در این فرایند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که یک نمونه مربوط به فاز شبه جامد برای یک مجموعه پیوند قوی تر در دمای ۱۲۰ درجه کلوین و دیگری مربوط به کامپوننت های شبه مایع برای مجموعه پیوندهای ضعیف تر در ۷۰ تا ۱۲۹ درجه کلوین است.
بنابراین، مجموعه های جذبی متان در سطوح داخلی و خارجی نانولوله های کربنی به دو صورت شبه مایع و شبه جامد می باشد.
همچنین گزارش شده است[۱] که CNT هیدروژنی با هیدروژن مرزی متناوب داخلی/خارجی (H-CNTزیگزاگی)۰.۵۵ eV پایداتر از CNT هیدروژنی است که همه هیدروژن های آن خارجی باشند(H-CNT آرمچیر) و در این حالت (H-CNT زیگزاگی)، فرمر، مولكول های متان را با زاویه پیوندی تقریبا قائم در بر می گیرد. به طوری كه متان به طور قوی تری روی سطوح خارجی H-CNT زیگزاگی ذخیره می شود تا روی سطوح داخلی H-CNT زیگزاگی و H-CNT آرمچیر. از آنجایی که متان بصورت چهارگوش است و زاویه های پیوندی H-C-H در حدود ۱۰۹.۵ درجه است، کشیدکی الکترون های فعال شده کربن روی چهار اتم هیدروژن پیوندی اثر می گذارد به صورتی که روی اتم های هیدروژن کمبود جزئی الکترون به وجود می آید، به همین دلیل، مکانیزم جذب متان روی سطوح داخلی و خارجی نانولوله های کربنی به صورت شبه مایع و شبه جامد می باشد.[۳]
در مسیر مکانیزمی که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[۳]، مولکول متان با ساختار چهاروجهی با زاویه پیوندی تقریبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازی تا روی جاذبی با پیوند SP۲ C=C که نسبتا غنی از الکترون است، عبور می کند. دراین حالت چون اتم های هیدروژن مولکول های متان به خاطر کشیده شدن الکترون ها به سمت کربن مرکزی دارای کمبود جزئی الکترون هستند، یک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتیونی شامل دو پروتون را تشکیل می دهند. این یون می تواند بطور درون مولکولی، گروه SP۲ C=C را با یک پیوند SP۳ C-C پایدار کند که مشابه با فضا گزینی [۱]در واکنش های شیمیایی است.
اینچنین فضا گزینی در جذب سطحی با سایز روزنه محدود شده، کوپل و یک نیروی انقباضی روی جذب شعاعی متان بعدی و پیوند هیدروژنی بین SP۳(C-C) از شبکه CNT و SP۳ از مولکول متان، وارد می کند. از آنجاکه هر دو دارای یک ساختار چهاروجهی هستند، این امر منجر به تشکیل یک فاز شبه مایع در روزنه CNT می شود. از طرف دیگر سطح خارجی CNT هیچ نوع محدودیتی در جذب ندارد، بنابراین مولکول های متان بیشتری روی کربوکاتیون غیرپایدارحاضرجذب می شوند. این پدیده می تواند باعث جذب گازهای بیشتری در شکل فاز شبه مایع متان روی سطح داخلی شود زیرا فضای کافی برای پیوندها یا ارتعاشات مولکولی وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سیال، یک پدیده متداول است.
ذخیره سازی گاز به روش ANG
به منظور كنترل دمای فرایند، سلول بارگیری(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطی در یك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمایش بایستی ناخالصی های سلول جذب را توسط یك پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء كامل اندازه گیری كرد، زمانیكه دما در سلول های بارگیری و جاذب به حد مطلوب رسید (حالت تعادل اولیه) آزمایش شروع می شود. میزان فشار و دما در سلول ها به یك ركوردر موبایل گزارش می شود و به این صورت زمان تعادل واكنش در هنگامیكه فشار و دمای فرایند ثابت باقی ماند (حالت تعادل دوم) مشخص می شود سپس با موازنه جرم (معادله ۱) بر مبنای دما و فشار اندازه گیری شده قبل و بعد از حالت تعادل می توان ظرفیت جاذب را تعیین كرد.
كه در معادله فوق، P، فشار، T، دما، V، حجم، R، ثابت گاز، M، وزن مولكولی، Z، ضریب تراكم پذیری گاز و Nتعداد مولكول های جذب شده است. زیرنویس ۱ نشان دهنده وضعیت تعادلی اولیه و زیرنویس ۲ نشان دهنده وضعیت تعادلی نهایی است.[۴]
مروری بر ذخیره سازی گاز متان در نانو ساختارها
Elena Bekyarova توسط اشتعال لیزری گرافیت، نانوهورن های (نانوشاخ) كربنی تك دیواره ای (SWNH) را برای ذخیره سازی گاز متان، در دمای اتاق و بدون كاتالیست، تولید كرد (شكل ۲). سایز و شكل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، كنترل می شود. این ساختارهای كربنی در آرگون با فشار۷۶۰ تور آماده می شوند. بخار كربن ذرات گرافیتی را با سایز یكنواختی در حدود ۸۰ نانومتر تولید می كند كه از SWNHsبا قطر حدودا ۲ تا ۳ نانومتر تركیب شده اند. دانسیته توده كه در این روش ذخیره سازی گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار ۵۰ مگا پاسكال زیر خلاء)، ۰.۹۷ گرم بر سانتیمتر مكعب می باشد.
ایزوترم های جذب متان با دمای ۳۰۳ كلوین در این آزمایش بر اساس طبقه بندی BDDT از نوع I می باشند. داده های آزمایشگاهی جاذب SWNHs با داده های SWNT های آرایه مربعی و آرایه مثلثی شبیه سازی شده، مقایسه شدند.
ایزترم های نانولوله های سرباز(opened-end) آرایه مربعی و آرایه مثلثی با فاصله واندروالسی ۰.۳۴ نانومتر(فاصله بین دیواره ها و لوله های مجاور) با استفاده از روش GCMC شبیه سازی شده اند. در فشارهای كم، ظرفیت جاذب SWNHها مشابه با SWNTهای آرایه مربعی می باشد اما در فشارهای بالاتر از ۴ مگا پاسكال نانولوله های تك دیواره آرایه مثلثی ظرفیت بیشتری را برای جذب گاز متان نشان می دهند بنابراین آرایش لوله ها در SWNTها می تواند فاكتور مهمی در ذخیره سازی گاز متان باشد. ظرفیت ذخیره سازی جاذب های SWNHفشرده شده در دمای ۳۰۳ كلوین و فشار ۳.۵ مگا پاسكال، حدود ۱۶۰ cm۳/cm۳ و ظرفیت ذخیره سازی جاذب های SWNT با استفاده از روش مونت كارلو و DFT در دمای اتاق و فشار ۴ مگا پاسكال ۱۹۸گرم بر متر مكعب می باشد و این در حالی است كه ظرفیت ذخیره سازی كربن فعال شده در دمای ۳۰۳ درجه كلوین و فشار ۳.۵ مگا پاسكال در حدود ۹۶ cm۳/cm۳ است.[۶]
متاسفانه گزارش های آزمایشگاهی و تحقیقاتی اندكی درباره ذخیره سازی متان روی آرایه های SWNT موجود است. Murise و همكارانش تنها رفتار فازی وجذبی متان روی نانولوله های تك دیواره را در دماهای پایین بررسی كردند.[۶] Talapatra و همكارانش بطورآزمایشگاهی میزان جذب گازهای متان، گزنون و نئون را روی دسته های SWNTاندازه گیری كردند و بطور غیرمنتظره ای مشاهده كردند كه هیچ گازی در فواصل بین آرایه ای SWNT جذب نشده است. [۷]با این وجود این بدان معنا نیست كه فواصل بین آرایه های SWNT دیگر نمی توانند گاز را جذب كنند. پس از مدتی، در یك مقاله دیگر از همان گروه مشاهده شد كه گاز متان می تواند در دسته های SWNT سردسته (Closed-end)، جذب شود. [۸]بنابر این مشاهدات و مقایسه آنها با شبیه سازی هایBekyarova می توان به این نتیجه رسید كه فاصله واندروالس یك فاكتور اولیه موثر روی میزان جذب متان در فواصل بین آرایه های SWNT است .
در پی این نتیجه، Cao و همكارانش تحقیقات خود را در راستای بهینه سازی فاصله واندروالس بین لوله ها در آرایه های SWNT ادامه دادند. این گروه با استفاده از روش مونت كارلو جذب متان را روی SWNT های آرایه مثلثی در دمای اتاق بررسی كردند. در دیواره این نانولوله ها اتم های كربن به صورت آرمیچیر قرار گرفته اند. از نتایج این كار مشخص شد كه SWNT با آرایه مثلثی و فاصله واندروالسی ۰.۸ نانومتر بیشترین مقدار گاز متان را در دمای اتاق جذب می كند. در فشار ۴.۱ مگا پاسكال ظرفیت حجمی و ظرفیت جرمی جذب متان روی آرایه های SWNT(۱۵,۱۵) با فاصله واندروالسی۰.۸ نانومتر۲۱۶ v/v و۲۱۵g CH۴/Kg است.[۹]
همانطور كه گفته شد مطالعات و تحقیقات جذب گاز متان روی نانولوله های كربنی چند لایه نسبت به نانولوله های كربنی تك لایه محدودتر می باشد. از جمله كسانی كه در این زمینه كار كرده است Sunny E.Iykenv از كشور مالزی است. وی توانست نانولوله های كربنی چند دیواره را با تكنیك رسوبدهی بخار شیمیایی كاتالیست شناور(FCCVD) تولید كند. این تكنیك می تواند در تولید انبوه نانولوله های چند دیواره با هیبریدهای مختلف مورد استفاده قرار گیرد. نانولوله های كربنی با هیبرید SP۲ دارای بزرگترین سایز روزنه هستند.
سایز روزنه در SP۲ ۴۴.۴ نانومتر و در SP۱ وSP۳ وSP۴ به ترتیب برابر ۹.۱و۸.۹و۸.۷ نانومتر است. گاز متان بصورت مایع و شبه جامد روی نانولوله های تولید شده جذب می شود. ایزوترم های بدست آمده از آنالیزر BET در این آزمایش در شكل ۵ نشان داده شده است. همان طور كه مشاهده می شود، ایزوترم های جذب برای كربن های SP۱ و SP۲از نوع III می باشند در حالیكه ایزوترم های جذب متان برای كربن SP۳ دارای سه نقطه اوج است كه احتمالا مربوط به تغییر فاز می باشند. از این گذشته ایزوترم دمای ۱۵ درجه سانتیگراد دارای دو نقطه اوج می باشد كه نمایشگر نقاط تغییر فاز می باشند.
در این آزمایش مشاهده می شود كه جذب متان توسط نانولوله های كربنی چندلایه نسبتا پایین است در حالیكه با افزایش فشار بر مقدار گاز جذب شده اضافه می شود.
پس از آن در آزمایش هایی كه توسطJae-Wook Lee انجام شد، نانولوله های كربنی چند دیواره با روش رسوب دهی بخار شیمیایی(CVD) با طول یكنواخت و قطر مشخص ساخته شدند، شكل۱۰ تصاویر TEMوSEM نانولوله های چندلایه كربنی ساخته شده را نشان می دهد. ضخامت دیواره ها در حدود ۱۵ تا ۲۰ نانومتر و طول آنها در حدود ۲۰ تا ۳۰ میكرومتر و دانسیته توده در حدود ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۰۶ گرم بر سانتی متر مكعب است.
در این آزمایش گاز متان مورد استفاده دارای خلوص ۹۹.۹ درصد است. نتایج آزمایشگاهی كه در این روش بدست آمده است در دماهای ۳۰۱.۱۵ و۳۱۳.۱۵ و۳۲۳.۱۵ كلوین و در فشاری تا ۳ مگا پاسكال موجود می باشد كه در جدول ۱ نشان داده شده است. همانطور كه از این جدول پیداست ظرفیت نانولوله های چند دیوارهكربنی در فشارهای پایین تر از ۱.۵ مگا پاسكال بسیار كم می باشد در حالیكه در فشار های بالاتر نیز میعان موئینگی رخ می دهد. به علاوه فشار میعان موئینگی با دما افزایش می یابد. [۱۰]در شكل ۶ ایزوترم های جذب متان نشان داده شده اندكه مشاهده می شود ایزوترم های جذب متان در گستره دمایی این آزمایش، از نوعIV می باشند.[۴]
● نتیجه گیری
بررسی جذب گاز درنانو ساختارها نشان می دهد كه پارامترهای روزنه و دانسیته جادب می تواند در میزان جذب گاز بسیار موثر باشد به طوری كه خواص روزنه ها در SWNH های فشرده شده به گونه ای است كه در دمای ۳۰۳ درجه كلوین و فشار ۳.۵ مگا پاسكال، ظرفیت ذخیره سازی گاز متان این نوع جاذب ۱۶۰ v/v می باشد. در ارتباط با SWNTها می توان گفت كه آرایش آنها و فاصله واندروالسی در آنها از پارامترهای مهم در میزان ذخیره سازی گاز طبیعی می باشد. همانطور كه در نمودار شكل ۲ نشان داده شده است، میزان جذب گاز در SWNTهای آرایه مربعی و آرایه مثلثی در فشارهای پایین تقریبا یكسان است و این میزان در فشارهای بالاتر از ۴ مگا پاسكال در SWNTهای آرایه مثلثی افزایش می یابد.
همچنین SWNTهای آرایه مثلثی با فاصله واندروالسی ۰.۳۴ نانومتر در فشار ۴.۱۱ مگاپاسكال ظرفیتی در حدود ۱۷۰ v/v برای ذخیره سازی گاز متان دارند در حالیكه این ظرفیت در SWNTهای بهینه شده با فاصله واندروالسی ۰.۸ نانومتردر شرایط یكسان به ۲۱۶ v/v می رسد كه حتی بیشتر از ظرفیت ذخیره سازی CNGدر فشارهای ۲۰ تا ۳۰ می باشد(۲۰۰ v/v).



سایت عسلویه

تاریخ ارسال: 1390/01/11


نظر شما چیست؟

کد امنیتی شکل بالا در کادر زیر درج شود

برای مشاهده و استفاده از فرم می بایست جاوااسکریپت بر روی مرورگر شما فعال باشد.

 
تعبیر خواب
تعبیر با تقویم
روایتی از قول امام جعفر صادق (علیه السلام) هست که می‌فرمایند مثلاً اگر در روز یا شب اول ماه قمری خوابی را ببینید تعبیر ندارد و صحیح نیست، یا اگر  در دوم و سوم ماه خوابی را ببینید تعبیرش برعکس می‌شود و به همین ترتیب تمام روزهای ماه را فرموده‌اند و این روایت تا حدودی هم شایع شده و گسترش پیدا کرده است.
دقت کنید که چیز کمی نیست!... یعنی شما که دیشب خوابی را دیده‌اید با دانستن تاریخ دیشب، می‌توانید ادامه مطلب...
تعبیرها و اشتباه‌ها
همۀ ما در طول شب یا روز خواب‌هایی می‌بینیم که ممکن است درست و صادق بوده و معنایی را در خود داشته باشند یا اینکه بی‌معنا باشند.
علت خواب‌های بی‌معنا چیزهایی مثل ضعف یا پرخوری قبل از خواب و یا صدای محیط زمان خواب و یا حتی می‌تواند نتیجه تلقین شیطان باشد و فقط پیامبران و معصومین (علیهم السلام) هستند که تمام خواب‌هایشان درست و صادق بوده و حسابشان جدا است. حضرت امام صادق (علیه السلام) به مفضل که از ادامه مطلب...
تعبیر با کتاب
در این مقاله می‌خواهم در مورد این بنویسم که هر کسی می‌تواند بعضی از خواب‌ها را با کتاب تعبیر خواب، تعبیر کند. بنابراین اجازه دهید ابتدا تعریفی کلی و خلاصه از نحوۀ تعبیر خواب ارائه کنم.
خواب‌هایی که ما می‌بینیم یا می‌خواهند معنایی را به ما بفهمانند و یا خیر؛ حالا چرا بعضی از خواب‌ها می‌خواهند معنایی را بفهمانند ولی بعضی خیر؟... چون این سوال بحث دیگری است نمی‌خواهم دربارۀ آن صحبت کنم.
خود این خواب‌های بامعنا نیز اکثراً به صورت مثال ادامه مطلب...
مبارزه با فراموشی خواب
تحقیقات نشان داده است که همۀ افراد در طی خواب خودشان رویا می‌بینند (به جز در برخی بیماری‌های شدید روانی)، منتها خیلی‌ها آن‌ها را فراموش کرده و فکر می‌کنند که اصلاً رویایی ندیده‌اند. هر چند خیلی از این رویاها ممکن است جزء رویاهای بدون تعبیر باشند ولی به هر حال رویا بوده‌اند.
حال سوال این است که چطور خواب خود را فراموش نکنیم؟ چطور صحنه‌های خواب را خوب و روشن به یاد آوریم؟ برای رسیدن به این هدف راه‌های زیادی وجود ادامه مطلب...
دفع بلا با صدقه
احادیث و روایات و همچنین تجربیات بسیاری وجود دارد که خداوند متعال با صدقه قضا و قدر را تغییر می‌دهد. به عبارتی دیگر با صدقه می‌توان به خواست خدا از وقوع بلایا و حوادث جلوگیری کرد. زیرا خود خداوند قضا و قدر را معین کرده و فقط خود او می‌تواند آن را تغییر دهد (که یکی از عواملی که فرموده قضا و قدر را به خاطر آن تغییر می‌دهد همین صدقه دادن است). البته این یکی از آثار صدقه می‌باشد. ادامه مطلب...
رسیدن تعبیر به دیگری
این نکته را به خاطر داشته باشید که تعبیر خواب شما ممکن است به همان کسی که در خواب دیده‌اید نرسد و به شخص دیگری مربوط شود. در واقع تعبیر خواب شما کیلومترها با آن شخصی که در خواب دیده‌اید فاصله داشته باشد! تجربۀ خودم من از خواب‌هایم این بوده که در موارد خیلی خیلی خیلی کمی تعبیر خواب به همان افرادی رسیده که در خواب دیده‌ام (به طوریکه در اکثر موارد فقط یک درصد احتمال می دهم که تعبیر ادامه مطلب...
دفع بلا و گرفتاری
بعضی از خواب‌ها آینده را پیشگویی کرده و می‌گویند که بلا و مصیبت و گرفتاری در پیش است و یا اینکه عمل زشت یا گناهی را مرتکب خواهیم شد. اگر این خواب‌ها درست و اصطلاحاً صادقه باشند، در واقع از مقدرات الهی می‌گویند و چیزهایی که پیش‌بینی آن شده حتماً به وقوع می‌پیوندند.
ولی خداوند راه‌هایی را تعیین کرده که نگذارید آن بلایا به وقوع بپیوندند و در واقع مقدرات خدا تغییر کند. در اصل خود خدا مقدرات را بوجود آورده ادامه مطلب...
کلیپ و ویدیو
ذکر گفتن بدون یک کلمه (آقای رائفی پور)
اشخاصی که در کلیپها مشاهده می کنید تعبیرگر خواب نیستند