عنوان پایان‌نامه
بررسی تعادلات فازی آب - یخ محصور شده در ساختارهای نانو
- رشته تحصیلی
- شیمی فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5422;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 63774
- تاریخ دفاع
- ۰۳ دی ۱۳۹۲
- دانشجو
- فهیمه شکوه
- استاد راهنما
- معصومه فروتن
- چکیده
- اساس کار در این پایان نامه، استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی به منظور مطالعه‌ی تعادلات فازی مخلوط آب و یخ محصور شده بین دو صفحه گرافن و همچنین محلول آبی است. در فصل اول به منظور امکان مقایسه سیستم های مورد مطالعه دو سیستم مرجع شبیه سازی شد. سیستم مرجع اول شامل مخلوط آب و یخ اتمی، به منظور مقایسه با سیستم آب و یخ محصور شده است و سیستم مرجع دوم شامل آب خالص، برای مقایسه با سیستم آب و نمک می باشد. سیستم مرجع اول و دوم به ترتیب با مدل اتمی TIP4P/Ice و دانه درشت mW شبیه سازی شده اند. دمای انتقال فاز مایع جامد دو سیستم مرجع فوق به ترتیب269 K و K270 بدست آمد. در فصل دوم اثر گرافن بر دمای انتقال فاز آب و یخ محصور شده بین دو صفحه گرافن، با استفاده از نمودارهای انرژی کل بر حسب زمان و نمودارهای چگالی بر حسب دما و همچنین نمودارهای توابع توزیع شعاعی بررسی شد. دمای انتقال فاز مخلوط آب و یخ محصورشده 240 K محاسبه گردید که 29 K کمتر از دمای انتقال فازسیستم غیر محصور شده آب و یخ (آب توده ای ) است. دمای بدست آمده برای سیستم محصور شده بین صفحات گرافن بسیار نزدیک به نقطه ذوب آب محصورشده بین نانو تخلخل های استوانه ای آبگریز با شعاع منفذ 2 نانومتر که اخیرا از داده های شبیه سازی گزارش شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که سیستم محصور، به علت وجود بر همکنش های بین آب و صفحه گرافن در مقایسه با آب توده ای مقدار انرژی کل منفی تری دارد. بررسی شیب نمودارهای انرژی بر حسب زمان این دو سیستم در دمای یکسان نشان می دهد که حضور گرافن سرعت ذوب یخ را افزایش و سرعت انجماد آب را کاهش می دهد. بررسی رفتار مولکول های آب در فواصل مختلف از گرافن نشان می دهد که مولکول های آب در مجاورت گرافن نسبت به مولکول های که دور از صفحات گرافن هستند و در نواحی میانی بین دو صفحه قرار گرفته اند، برهمکنش های قوی تری را با صفحات گرافن نشان می دهند. همچنین متوسط مربع جابجایی مولکول های آب نیز در نزدیکی صفحات گرافن بیشتر است. در فصل سوم پایان نامه حاضربه بررسی دمای انجماد محلول آب و نمک با غلظت 6/7 درصد وزنی پرداخته شده است. با بهره گیری از نمودارهای انرژی کل نقطه انجماد این محلول 265 K بدست می آید که9 K کمتر از نقطه انجماد آب خالص است. این کاهش در نقطه انجماد در توافق خوبی با کارهای تجربی است. در دماهای کمتر از نقطه انجماد بدست آمده از تجمع بین مولکول های آب و یون ها کاسته می شود و در واقع تمایل یون های سدیم و کلر به تشکیل شبکه و جدا شدن از محلول بیشتر می شود. بنابراین شرایط برای تشکیل ساختارهای تتراهدرال یخ فراهم می شود.
- Abstract
- In this work, study of water and ice mixtures phase equilibria confined between two graphene sheets and also in aqueous solution by using molecular dynamics (MD) simulations have performed. In first section the two reference systems were simulated for comparison. The first reference system consisted of atomic ice-water mixture in order to compare with confined water and ice system, and the second reference system consisting of pure water to compare with salt and water system. The first and second reference systems are simulated respectively by TIP4P/Ice atomic model and mW coarse grain and their liquid - solid phase transition temperature was obtained 269K and 270K. In second chapter graphene effect on the phase transition temperature of water and ice confined between two sheets of graphene by using plots of the total energy versus time, temperature versus density and radial distribution functions were investigated. Phase transition temperature of the confined ice-water mixture was calculated 240 K that is 29 K less than the non-confined ice-water system (bulk water). The calculated temperature for the confined system between graphene sheets is very close to the melting point of water confined with in nanoporous hydrophobic cylindrical with pore radius at around 2 nm, which is reported by the simulation data. The obtained results show that the total energy of confined systems, due to the interactions between water and graphene sheet as compared to the bulk system are more negative. The two systems energy versus time diagrams slope at the same temperature, indicating that the graphene increase ice melting speed and reduce water freezing speed. Study of water molecules behavior at different distances from the graphene sheet show that molecules in the vicinity of graphene respect to those in the middle region of too sheets show stronger interactions with the graphene sheet and the mean square displacement of water molecules near the graphene sheet is more. In the last chapter the freezing temperature of water and salt solution with a concentration of 7/6 wt% was investigated. By usage of the total energy diagrams freezing point for this solution was calculated 265 K that is 9 K less than the freezing point of pure water.This reduction of freezing point is in good agreement with the experimental work. In the less temperature than obtained freezing point the sodium and chloride ions tendency to network formation and separation of solution lead to reduction of water molecules accumulation Therefore, the conditions for the formation of tetrahedral structure of ice is provided.
