عبور گاز هلیم از نانوگرافن نقص‌دار عاملدار شده با اتم های هیدروژن و فلوئور در حضور گاز طبیعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده علوم پایه ، دانشگاه آزاد واحد تهران مرکز

2 دانشکده علوم پایه ، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

چکیده

در این پژوهش، بهینه­سازی گرافن نقصدار عاملدار شده با اتم­های هیدروژن و فلوئور انجام شد. برهم­کنش و نفوذ اتم گازی هلیم با چهار نانوگرافن­های نقصدار عاملدار شده بهینه شده مورد بررسی قرار گرفت. سپس، از گرافن نقص­دار مناسب به عنوان غشای انتخابی برای نفوذ گاز هلیم در حضور گازهای طبیعی حاوی 86٪ متان ، 2٪ نیتروژن ، 10٪ هیدروژن ، 1٪ هلیم و 1٪ دی اکسید کربن استفاده شد. تمام محاسبات DFT با استفاده از برنامه گوسین09 انجام شده است. در نهایت، غلظت­های ورودی و خروجی گازهای طبیعی به حفره برای تعیین مقدار هلیم تفکیک شده، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از تجزیه و بررسی DFT با استفاده از (AIM) و (NBO) نشان داد که 24H90C­­ دارای بالاترین احتمال عبور هلیم را در بین گازهای طبیعی است. براین اساس این مطالعه، پیشنهاد می­شود که این نتیجه می­تواند راهکار خوبی در استخراج هلیم از گاز طبیعی در چاه­های نفت داشته باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] D.M. Smith, T.W. Goodwin, J.A. Schillinger,” Challenges to the worldwide supply of helium in the next decade,” American Institute of Physics, 710, 119-138, 2004.
 [2] M. Paradise, T. Goswami, “Carbon nanotubes–production and industrial applications,” Materials & design, 28, 1477-1489, 2007.
 [3] R.J. Poreda, P. D. Jenden, I.R. Kaplan, H. Craig, “Mantle helium in Sacramento basin natural gas wells,” Geochimica et Cosmochimica Acta, 50, 2847-2853, 1986.
 [4] B.M. Oliver, J.G. Bradley, H.Farrar, “Helium concentration in the earth's lower atmosphere,” Geochimica et Cosmochimica Acta, 48, 1759-1767, 1984.
[5] S.T. Anderson, “Economics, helium, and the US Federal helium reserve: summary and outlook,”
 Natural Resources Research, 27, 455-477, 2018.
[6] G.J. Rodrigo, C. Rodrigo, C.V. Pollack, “Use of helium-oxygen mixtures in the treatment of acute asthma: a systematic review,” Chest, 123, 891-896, 2003.
[7] M.D. Frazier, I.M. CHeifetz, “The role of heliox in paediatric respiratory disease,” Paediatric respiratory reviews, 11, 46-53, 2010.
[8] T.C. Cosmus, M. Parizh, “Advances in whole-body MRI magnets,” IEEE Transactions on applied superconductivity, 21 , 2104-2109, 2010.
 [9] J.A. Koch, M.J .Haugh, “Crystals for krypton helium-alpha line emission microscopy,” Google Patents, 2018.
[10] N. Liu, J. Zheng, D.B. Bogy, “Thermal flying-height control sliders in hard disk drives filled with air-helium gas mixtures,” Applied Physics Letters, 95, 213505, 2009.
[11] J.R. Gustafson, V.W. Santini, “Method to detect helium leakage from a disk drive
,” Google Patents, 2008.
[12] F. Castellanet, “Plant and process for supplying helium to a plurality of production lines,” Google Patents, 2001.
[13] K. Ohya, T. Yamanaka, K. Inai, T. Ishitani ,” Comparison of secondary electron emission in helium ion microscope with gallium ion and electron microscopes,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 267, 584-589, 2009.
 [14] C. Sun, B. Wen, B. Bai, “Application of nanoporous graphene membranes in natural gas processing: Molecular simulations of CH4/CO2, CH4/H2S and CH4/N2 separation,” Chemical Engineering Science, 138, 616-621, 2015.
[15] J.S. Bunch, S. S. Verbridge, J.S. Alden, A.M. Zande, J. M. Parpia, H.G. Craighead, P.L. McEuen,” Impermeable atomic membranes from graphene sheets,” Nano letters, 8, 2458-2462, 2008.
[16] O.Leenaerts, B. Partoens, F.M Peeters,” Graphene: A perfect nanoballoon,” Applied Physics Letters, 93, 193107, 2008.
[17] R.G. Ding, L. u. GQ, Z.F. Yan, M.A. Wilson,” Recent advances in the preparation and utilization of carbon nanotubes for hydrogen storage,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 1, 7-29, 2001.
[18] Y. Tao, Q. Xue, Z. Liu, M. Shan, C. Ling, T. Wu, X. Li, “Tunable hydrogen separation in porous graphene membrane: first-principle and molecular dynamic simulation,” ACS applied materials & interfaces, 6, 8048-8058, 2014.
[19] F. Hao, D. Fang, Z. Xu, “Mechanical and thermal transport properties of graphene with defects,” Applied physics letters, 99, 041901, 2011.
[20] L. Liu, M. Qing, Y. Wang, S. Chen, “Defects in graphene: generation, healing, and their effects on the properties of graphene: a review,” Journal of Materials Science & Technology,” 31, 599-606, 2015.
[21] T. Kuila, P. Khanra, A.K. Mishra, N.H. Kim, J.H. Lee,” Functionalized-graphene/ethylene vinyl acetate co-polymer composites for improved mechanical and thermal properties,” Polymer Testing, 31, 282-289, 2012.
[22] Y. Luo, D. Yuan, M. Balogun, H.Yang, W . Qiu, J. Liu, P. Liu, Y. Tong,” Dual doping strategy enhanced the lithium storage properties of graphene oxide binary composites,” Journal of Materials Chemistry A, 4, 13431-13438, 2016.
[23] Y .Hong, S. Wang, Q. Li, X .Song, Z. Wang, X. Zhang, F .Besenbacher, M. Dong, “Interfacial icelike water local doping of graphene,” Nanoscale, 11, 19334-19340, 2019.
[ 24] A.C. Sudik, A. R. Millward, N.W. Ockwig, J. Kim, O.M. Yaghi,” Design, synthesis, structure, and gas (N2, Ar, CO2, CH4, and H2) sorption properties of porous metal-organic tetrahedral and heterocuboidal polyhedral,” Journal of the American Chemical Society, 127, 7110-7118, 2005.
[25] W. Nakanishi, S. Hayashi, K. Matsuiwa, M. Kitamoto,” An Introduction to the Quantum Theory of Atoms in Molecules in The Quantum Theory of Atoms in Molecules: From Solid State to DNA and Drug Design,” Bulletin of the Chemical Society of Japan, 85, 1293-1305, 2012.
[26] J. Schrier, “Helium separation using porous graphene membranes,” The Journal of Physical Chemistry Letters, 1, 2284-2287, 2010.
[27] H. Liu, S. Dai, D. Jiang, “Insights into CO2/N2 separation through nanoporous graphene from molecular dynamics,” Nanoscale, 5, 9984-9987, 2013.