شبيه‌سازي سامانه تصفيه آب مبتني بر صفحات چندلايه گرافني با استفاده از روش ديناميك مولكولي

پيش از پيدايش گرافن تصور بر اين بود كه مواد دوبعدي به علت ناپايداري ترموديناميكي نمي‌توانند خارج از حوزه‌ي تئوري در حالت آزاد وجود داشته باشند. ولي برخلاف انتظار در سال‌هاي اخير دانشمندان موفق به توليد پايدار اين‌گونه از مواد گشتند. كشف گرافن با خواص شگفت‌انگيزش، موجب متمركز شدن تحقيقات بعدي براي يافتن پتانسيل‌هاي بالقوه‌ي اين ماده در زمينه‌هاي گوناگون شده است. يكي از كاربردهاي اين ماده در زمينه‌ي تصفيه و نمك‌زدايي از آب مي‌باشد كه اخيراً به‌صورت تئوري و حتي تجربي، مطالعات فراواني بر روي آن صورت گرفته است. نوع چندلايه از اين ماده به علت روش سنتز ساده‌تر و قابليت توليد انبوه حتي توجه بيشتري را نيز به خود معطوف داشته است. بااين‌حال غشاهاي ساخته‌شده از گرافن چندلايه به علت وجود پيوندهاي ضعيف فيزيكي در بين لايه‌ها با نوعي ضعف ساختاري روبه‌رو مي‌باشند. به همين منظور، تلاش‌هاي بسياري براي رفع اين مشكل با ايجاد پيوندهاي كووالانسي در بين لايه‌ها توسط عوامل شيميايي مختلف و ايجاد ساختارهاي كامپوزيتي، انجام گرفته است. در اين پژوهش ضمن به‌كارگيري تكنيك شبيه‌سازي ديناميك مولكولي، فرآيند پرتوافكني يوني به‌عنوان روشي براي ايجاد نانوحفرات و درعين‌حال استحكام‌بخشي به مجموعه صفحات گرافني مطرح گشت. اين فرآيند تكنيكي است كه پيش‌ازاين نيز براي جوش دادن نانولوله‌ها و صفحات گرافني مورداستفاده قرار گرفته است. با استفاده از اين روش، صفحات مجزاي گرافن با يكديگر تشكيل پيوند كووالانسي مي‌دهند. طبق آزمون‌هاي مكانيكي انجام‌شده، با توجه به قطر پرتوي به‌كاررفته، حد نهايي استحكام مجموعه صفحات پيوند خورده در راستاي عمود به حدود 4 الي GPa 6 مي‌رسد. همچنين اين فرآيند مي‌تواند مجموعه صفحات مجاور را نيز با استحكام 5/2 الي GPa 15، به يكديگر جوش دهد. اين ساختار ويژه از مجموعه صفحات نانومتخلخل گرافني قابليت تصفيه‌ي آب، هم از داخل حفرات مياني و هم از پهلو از طريق فواصل بين لايه‌اي را دارا مي‌باشد. در ادامه‌ي پژوهش كارايي اين دو پيكربندي در بحث نمك‌زدايي از آب مورد بحث و بررسي قرار گرفته است. با تغيير پيكربندي‎ها و پارامترهايي نظير قطر حفره، فشار، ضخامت، غلظت يون‌ها و هندسه‌ي حفره، نرخ انتقال آبي از مقياس L/m2 h bar 100 الي L/m2 h bar 1000 مشاهده شده است. نتايج حاصل از اين تحقيق مي‌تواند براي ساخت غشايي برتر براي مواجهه با بحران‌هاي آبي پيشرو مفيد واقع گردد.

193186

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي فناوري‌ نانو - نانومواد

دكتر صادق صادق زاده - دكتر ميثم جلالي