مهندسان شیمی دانشگاه صنعتی شریف، به کمک روش‌های مدل‌سازی شبکه‌ای، توانستند غشاهای نانوحفره‌ای را برای جداسازی هیدروژن از مخلوط گاز سنتز، مدل‌سازی کنند.
پیش‌بینی میزان عبورپذیری غشای سرامیکی نانوحفره‌ای
مهندسان شیمی دانشگاه صنعتی شریف، به کمک روش‌های مدل‌سازی شبکه‌ای، توانستند غشاهای نانوحفره‌ای را برای جداسازی هیدروژن از مخلوط گاز سنتز، مدل‌سازی کنند.
غشاهای سرامیکی نانوحفره‌ای به دلیل مقاومت مکانیکی و شیمیایی بسیار بالا و عبورپذیری مناسب، در بسیاری از فرآیندهای جداسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تاکنون مطالعات زیادی روی ساخت این غشاها و اندازه‌گیری تجربی میزان عبورپذیری و گزینش‌پذیری آنها صورت گرفته‌است. ولی مدل‌سازی ساختار آنها و تخمین عبورپذیری و گزینش‌پذیری آنها به صورت تئوری، یک مقوله‌ی بسیار جدید است که هنوز در مرحله‌ی توسعه قرار دارد.
مهندس محمد معینی، دانشجوی دکتری مهندسی شیمی دانشگاه مک گیل کانادا، در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه‌ی توسعه‌ی فناوری نانو گفت: «مدل‌سازی غشاهای نانوحفره‌ای به کمک مدل شبکه‌ای، این امکان را می‌دهد که بتوان ساختار نانوحفره‌ای را تا میزان دقت دلخواه، در نظر گرفت. در این پروژه، این مدل برای یک کاربرد عملی (جداسازی هیدروژن از مخلوط گاز سنتز برای استفاده در پیل سوختی) به کار گرفته شده‌است تا میزان عبورپذیری و گزینش‌پذیری غشا را به شکل تئوری و بر مبنای ساختار نانوحفره‌ای غشا پیش‌بینی کند».
مهندس معینی برای مدل‌سازی فرآیند انتقال مخلوط گازها از غشا، از مدل شبکه‌ای و برای مدل‌سازی نفوذ اجزا در حفره‌های این شبکه، از مدل غبار گازی بهره گرفته‌است. در این مدل، سازوکارهای نفوذ نادسن، نفوذ مولکولی و نفوذ ویسکوز در نظر گرفته شده‌اند. برای راستی‌آزمایی مدل، نیز از داده‌های تجربی دو مرجع متفاوت استفاده شده‌است. وی در نهایت اثر پارامترهای مختلف را بر عملکرد غشا بررسی کرده‌است.
مهندس معینی در رابطه با نتایج پژوهش گفت: «مقایسه‌ی نتایج مدل‌سازی با داده‌های تجربی، نشان داد که مدل شبکه‌ای می‌تواند با استفاده از اطلاعات موجود از ساختار غشای نانوحفره‌ای (مانند تخلخل، ضخامت و اندازه‌ی متوسط حفره)، میزان عبورپذیری و گزینش‌پذیری غشا را با دقت قابل قبولی پیش‌بینی کند».
او اضافه کرد: «همچنین نتایج، حاکی از آن است که عبورپذیری هیدروژن از غشا با افزایش اندازه‌ی متوسط حفره‌ها و حداقل قطر حفره‌ها افزایش و با افزایش دما و فشار، کاهش می‌یابد. همچنین مشخص شد که گزینش‌پذیری هیدروژن نسبت به سایر اجزا، با افزایش دما اندکی افزایش و با افزایش فشار و اندازه‌ی متوسط حفره‌ها کاهش می‌یابد. بررسی اثر پارامترهای مختلف هم بر کیفیت جداسازی نشان داد که یک غشای متخلخل با قطر متوسط ۴ نانومتر و حداقل قطر نزدیک به این قطر متوسط (برای نمونه ۲ نانومتر)، عملکرد بهتری دارد».
پژوهشگر طرح، مقایسه‌ی نتایج مدل‌سازی با داده‌های تجربی و به‌کارگیری این مدل برای یک کاربرد عملی در صنعت (جداسازی هیدروژن از مخلوط گاز سنتز برای استفاده در پیل سوختی) را از مزیت‌های این تحقیق نسبت به تحقیقات پیشین عنوان کرد.
نتایج این پروژه می‌تواند در تمام مواردی که شامل پدیده‌ی نفوذ از بین جسم نانوحفره‌ای هستند، مورد استفاده قرار گیرد.
جزئیات این پژوهش -که در قالب پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد آقای محمد معینی در دانشکده‌ی مهندسی شیمی و نفت دانشگاه صنعتی شریف با راهنمایی دکتر فتح‌الله فرهادی انجام شده‌است- در مجله‌ی Separation Science and Technology (جلد ۴۵، صفحات ۲۰۳۸-۲۰۲۸، سال ۲۰۱۰) منتشر شده‌است.
