عنوان

مطالعه عملکرد غشاهاي نانوصفحه گرافاين و کربن‌نيتريد جهت جداسازي آلاينده‌هاي آنيوني و فلزات سنگين از محلول‌هاي آبي با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي ديناميک مولکولي

پ۲۷۱۱۲

per

مطالعه عملکرد غشاهاي نانوصفحه گرافاين و کربن‌نيتريد جهت جداسازي آلاينده‌هاي آنيوني و فلزات سنگين از محلول‌هاي آبي با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي ديناميک مولکولي

سیما مجیدی

در اين پژوهش، کارايي غشاهاي نانومتخلخل خانواده نیتریدکربن و گرافاین به منظور حذف آلايندههاي آنیونی نیترات و نیتریت و کاتیون¬های فلزات سنگین جیوه و مس موجود در آب، با استفاده از روش شبيهسازي ديناميک مولکولي بررسي شده است. کارایی غشای دوبعدی C2N از خانواده غشاهای نیتریدکربن و غشای γ-گرافاین-1 با گروه¬های عاملی آمین (G-NH2) و کربوکسیل (G-COOH)، برای جداسازی کاتیون فلزات سنگین مس و جیوه طی فرآیند الکترودیالیز، مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج حاصل از شبیه¬سازی¬ها مورد تحلیل قرار گرفته و نشان دادند که وجود گروه¬های عاملی آبدوست و اتم¬های الکترونگاتیو نیتروژن و اکسیژن با بار جزئی منفی در لبه حفرات، در حضور میدان الکتریکی خارجی نقش قابل توجهی در افزایش برهمکنش¬ها و دهیدراتاسیون این کاتیون¬ها داشته و بدلیل اندازه مناسب حفرات این غشاها و انتخاب پذیری بالای آنها بر اساس ساختار اتمی خاص، جداسازی این کاتیون¬ها به نحو موثر انجام شد. همچنین، نتایج حاصل از شبیه¬سازی¬ها نشان دادند که با توجه به ساختار اتمی غشاهای نیترید کربن و گرافاین و تخلخل و اندازه حفرات آنها، استفاده از فرایند اسمز معکوس برای جداسازی آنیون¬های نیترات و نیتریت به عنوان آنیون¬های آلاینده، روش کارآمدی است. بدین ترتیب عملکرد غشاهای دوبعدی نانومتخلخل C2N و g-C3N4 از خانواده نیتریدکربن و نیز γ-گرافاین-2 (گرافدین) و γ-گرافاین-3 از خانواده گرافاین برای جداسازی آنیونهای نیترات و نیتریت مورد مطالعه قرار گرفتند. همچنین نتایج شبیه¬سازی مطالعه عملکرد غشای نیترید کربن برای جداسازی نیترات و نیتریت نشان دادند که بالاترین فلاکس آب بدست آمده از طریق غشاهای C2N و g-C3N4 بترتیب L/cm2DayMPa 38/25 و L/cm2DayMPa 13/9 بدست آمد که در هردو حالت، میزان دفع یونهای نیترات و نیتریت 100٪ بود. و نیز دلیل تفاوت در فلاکس آب از میان دو غشا، از طریق آنالیزهای پیوند هیدروژنی، تابع توزیع شعاعی و پروفایل چگالی آب تحلیل و بررسی شد. در این شبیه سازی¬ها مشاهده شده است که ضریب نفوذ آب در حضور غشای نانومتخلخل C2N و g-C3N4 به دلیل ساختار آبدوست این غشاها بترتیب افزایش 2/3 و 3 برابری داشته است. نتایج آنالیز پیوندهای هیدروژنی بین مولکول¬های آب با یکدیگر و نیز برهمکنش بین مولکول¬های آب و اتم¬های نیتروژن ساختار غشا، نشان دهنده برهمکنش¬های قوی مولکول¬های آب با سطح غشای g-C3N4 که منجر به کاهش فلاکس آب نسبت به مقدار آن برای C2N می¬شود. عملکرد غشاهای γ-گرافاین2(گرافدین) و γ-گرافاین 3، برای مطالعه جداسازی آنیون¬های نیترات طی فرایند اسمز معکوس مطالعه گردید. این غشاهای نانو متخلخل دارای چگالی حفرات بالا به ترتیب m-2 1018 ×4/2 و m-2 1018 × 5/1 بوده که قطر این حفرات بترتیب 8/2 و 7/3 آنگسترم می¬باشند. نتایج حاصل از شبیه¬سازی¬ها نشان دادند که فلاکس آب L/cm2DayMPa 43/7 همراه با جداسازی 100٪ یون¬های نیترات برای غشای گرافدین و فلاکس آب L/cm2DayMPa 57/23 با میزان جداسازی 70% یون¬های نیتریت و 90% یون¬های نیتزات برای غشای گرافاین3 بدست آمده است. نتایج آنالیزهای پیوندهای هیدروژنی و توزیع مولکول¬های آب در سطح غشا ثابت کردند که این غشاها بدلیل ساختار اتمی و عدم وجود عوامل آبدوست قوی در ساختار خود و نیز میزان تخلخل بالا و اندازه مناسب حفرات، پتانسیل قابل توجهی در جداسازی کامل آنیون¬ها به همراه فلاکس آب بالا، می¬توانند داشته باشند.

In this study, the molecular dynamics simulation methods were conducted to investigate the performance of 2D nanoporous carbon nitride and graphyne membranes in order to remove anionic contaminants of nitrate and nitrite and heavy metal cations of mercury and copper from water. The نمد package was employed for all simulations. The performance of two-dimensional C2N membranes from the family of carbon nitride membranes and the functionalised γgrafyne 1 membranes with amine (G-NH2) and carboxyl (G-COOH) functional groups were used for the separation of heavy metal cations of copper and mercury via the electrodialysis process. These membranes possess the high selectivity for heavy metal ions separation due to the specific atomic structures and existence of the electronegative atoms at the edge of the pores. The results of the simulations were analysed using VMD software which shows that the presence of hydrophilic functional groups in the presence of an external electric field play a significant role in heavy metal cations permeation through the pores due to increasing the interactions and dehydration of these cations. Furthermore, the results of the simulations showed that the reverse osmosis process is an appropriate method for separation of the nitrate and nitrite anions, due to the atomic structure of these membranes and their porosity and also the pore size. Hence, the performance of the 2D C2N and g-C3N4 and also, γgrafyne-2 (graphdiyne) and γgrafyne-3 were studied for the separation of nitrate and nitrite anions from water. The results of simulations result of the simulations showed that the maximum water flux achieved through C2N and g-C3N4 membranes were 25.38 L / cm2DayMPa and 9.13 L / cm2DayMPa, respectively, in which 100% nitrate and nitrite rejection was achieved for this system. The other analysis such as hydrogen bond analysis, radial distribution function and water density profile were performed for detailed investigations. In these simulations, it has been observed that the water penetration coefficient in the presence of C2N and g-C3N4 nanoporous membranes has increased 3.2 and 3 times, respectively, due to the hydrophilic structure of these membranes. Results of analysis of hydrogen bonds between water molecules with each other and also the interaction between water molecules and atoms. The performance of the graphdiyne and γ-graphin-3 membranes was investigated to study the separation of nitrate and nitrite anions via the RO process. These nanoporous membranes have high pore densities of 2.4 ×1018 m-2 and 1.5 × 1018 m-2, with the pore diameter of 2.8 and 3.7 Å, respectively. The results of the simulations showed that the water flux was 7.43 L / cm2DayMPa with 100% nitrate and nitrite ions rejections for graphediyne membrane and the water flux was 23.57 L / cm2DayMPa with 70% nitrite and 90% nitrate ions rejection are achieved for γ-graphene-3 membrane. The results of hydrogen bond analysis and distribution of water molecules on the membrane surface showed that the atomic structure of these membranes and the absence of strong hydrophilic agents as well as high porosity and suitable pore size showed that these membranes have significant potential to achieve the high water flux and complete anions rejection.

A study on the performance of Graphyne and Carbon nitride nanosheet membranes for separation of anionic pollutants and heavy metals from aqueous solutions using molecular dynamics simulations

‏مجیدی،

‏‏سیما

تهيه کننده

‏عرفان نیا،

‏عظمت،

‏کروزچو،

‏‏حمید

‏‏جعفر

‏ادواردو

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

تبریز