شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جداسازی مخلوط آب- استون توسط نانولوله‌های کربنی و بررسی تاثیر اندازه نانولوله‌ها و فشار هیدرواستاتیک اعمالی در روند جداسازی

در بسیاری از فرایندهای صنعتی، حلّال استون به نسبت‌های مختلف با آب مخلوط می‌شود و جداسازی این مخلوط‌ها بدون صرف هزینه و انرژی زیاد ممکن نیست. امروزه پژوهشگران در پی یافتن روش‌هایی هستند که بدون صرف انرژی زیاد، امکان جداسازی کامل‌تر و بهتر حلّال‌ها فراهم شود. لذا با توجه به اهمیت فرایندهای جداسازی حلّال‌های مختلف از همدیگر و استفاده دوباره از آنها در صنعت، در این پژوهش برای اولین بار شبیه‌سازی دینامیک مولکولی جداسازی مخلوط آب استون با استفاده از نانولوله‌های کربنی صندلی‌شکل انجام شد. به‌منظور جداسازی مخلوط آب استون نانولوله‌های کربنی صندلی‌شکل با کایرالیته (5،5) و (6،6) استفاده شد که در واقع نانولوله‌های کربنی به‌عنوان فیلتر جداکننده برای مخلوط آب استون عمل کردند. برای این منظور از روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی استفاده شد. همچنین فشار هیدرواستاتیک، به‌عنوان یک نیروی خارجی، به سیستم مورد نظر اعمال شد تا گونه‌های موجود در سیستم با عبور انتخاب‌پذیر از داخل نانولوله‌ها از همدیگر جدا شوند. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که با تغییر نوع نانولوله، فرایند جداسازی این مخلوط، رفتار متفاوتی نشان می‌دهد، به‌طوری که با استفاده از نانولوله‌های کربنی (5،5) با قطر کوچک‌تر، جداسازی کامل این مخلوط انجام شد، در حالی که در حضور نانولوله‌های کربنی (6،6) با قطر بزرگ‌تر، جداسازی به صورت کامل انجام نشد و از هر دو حلّال به نسبت‌های مختلف از این نوع نانولوله عبور کردند که مطلوب نبود. برای درک بهتر نتایج و تفسیر آنها، برخی آنالیزها شامل مقدار عبوری مولکول‌های آب و استون، پروفایل دانسیته، پتانسیل نیروی میانگین، زمان بازداری و پیوندهای هیدروژنی بین گونه‌های سیستم نیز استخراج شد. با توجه به نتایج این پژوهش، از نانولوله‌های کربنی با قطر مناسب برای جداسازی برخی مخلوط‌های آبی از جمله مخلوط آب استون می‌توان استفاده کرد و به گونه‌های خالص هر یک از حلّال‌ها دست یافت که این امر باعث استفاده مجدد از آنها و صرفه‌جویی در هزینه‌ها خواهد شد.

Molecular Dynamics Simulation of Separation of Water-Acetone Mixture Using Carbon Nanotubes and Investigating the Effect of Nanotubes Size and Applied Pressure on the Separation Process

In many industrial processes, the acetone solvent is mixed with water in various proportions, and it is not possible to separate these mixtures without consuming a great deal of cost and energy. Nowadays, scientists are looking at some methods to separate solvents more efficiently without consuming too much energy. Therefore, given the importance of different solvent separation processes and their reuse in industry, in this research, for the firsttime molecular dynamics simulation of wateracetone mixture separation using armchair carbon nanotube was performed. To separate the wateracetone mixture, the (5,5) and (6,6) armchair carbon nanotube was used so that these nanotubes acted as a separator filter for the wateracetone mixture. For this, we used molecular dynamics simulation method. Also, the hydrostatic pressure, as an external force, was applied to the desired system to separate water and acetone from each other with selectively passing them through the nanotubes. The results showed that by changing the type of the nanotube, the process of separating this mixture showed a different behavior; so that, this mixture was completely separated using the (5,5) carbon nanotube with small diameter, while in the presence of (6.6) carbon nanotube with large diameter, the separation was not complete and both solvents passed through this type of nanotube in different proportions, which was not desirable. To better understand the results and their interpretation, some analyses including the permeated water or acetone molecules through nanotubes, the density profile, the potential of the mean force, retention time, and hydrogen bonds of the system were also extracted. According to the results of the present study, armchair carbon nanotubes with suitable diameter can be used for separation of some aqueous mixtures, including wateracetone mixture, which will enable us to obtain pure species of each solvent, allowing them to be reused and save costs.