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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26315| Título: | Um estudo de dinâmica molecular: análise de uma membrana de nanotubo de carbono para separação de hidrogênio, dióxido de carbono e metano |
| Título(s) alternativo(s): | A study of molecular dynamics: analysis of a carbon nanotube membrane for separation of hydrogen, carbon dioxide and methane |
| Autor(es): | Schiavini, Jhefferson Luiz |
| Orientador(es): | Guimarães, Jeconias Rocha |
| Palavras-chave: | Hidrogênio como combustível Separação (Tecnologia) Nanotubos Hydrogen as fuel Separation (Technology) Nanotubes |
| Data do documento: | 19-Mai-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Francisco Beltrao |
| Citação: | SCHIAVINI, Jhefferson Luiz. Um estudo de dinâmica molecular: análise de uma membrana de nanotubo de carbono para separação de hidrogênio, dióxido de carbono e metano. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Engenharia Química) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Francisco Beltrão, 2021. |
| Resumo: | O hidrogênio é um combustível alternativo com alto potencial para tornar-se uma das principais fontes de energia. Porém, a produção desse combustível requer condições extremas de operação, como na combustão de 𝐶𝐻4 com vapor de água para a produção de 𝐻2 e 𝐶𝑂2, e também condições extremas de pressão na separação dos produtos e reagentes não consumidos. Assim, este trabalho tem como objetivo estudar a viabilidade de uma membrana baseada em uma floresta de nanotubos de carbono, na separação de uma mistura de 𝐻2, 𝐶𝑂2 e 𝐶𝐻4 em condições normais de temperatura e pressão. Inicialmente, avaliou-se o perfil da barreira do potencial de interação ao transporte orientado de cada molécula pelo interior do nanotubo com diferentes diâmetros, com o perfil do potencial do 𝐻2 e 𝐶𝑂2 orientados na horizontal e vertical e 𝐶𝐻4 alinhado ao centro do tubo. A fim de obter a seletividade da floresta de nanotubos sem a influência do comprimento do nanotubo, mas com um comprimento reduzido para não impactar no tempo de simulação, estudou-se a seletividade em função da dimensão da floresta de nanotubos nas mesmas condições de operações. Portanto, a partir de 10 𝜂m há uma faixa de linearidade, e optou-se pelo nanotubo 𝑧𝑖𝑔𝑧𝑎𝑔(12,0) com 30 repetições e 48 tubos resultando em um comprimento de 12,36 𝜂m e uma área acessível de 82,02 𝜂m2. Passou-se então a examinar o comportamento e a conformação da floresta de nanotubo via dinâmica molecular. Propôs-se um mecanismo de comprimir radialmente a floresta de nanotubos, a partir de ferramentas termodinâmicas com o estado canônico NP𝑦T. A conformação da floresta em diferentes compressões radicais causou deformações nos nanoporos acessíveis dos nanotubos e mudança de excentricidade, impactando diretamente na seletividade da floresta. Finalmente, investigou-se a seletividade da floresta de nanotubos em diferentes temperaturas e excentricidades média. Existe uma faixa ótima de operação em relação a temperatura e seletividade e a excentricidade causa inversão de seletividade entre as moléculas, indicando ser possível a separação do 𝐻2, 𝐶𝑂2 e 𝐶𝐻4 em condições normais de temperatura e pressão, a partir da floresta de nanotubos 𝑧𝑖𝑔𝑧𝑎𝑔(12,0). |
| Abstract: | Hydrogen is an alternative fuel with high potential to become one of the main sources of energy. However, the production of this fuel requires extreme operating conditions, as in the combustion of 𝐶𝐻4 with water vapor for the production of 𝐻2 and 𝐶𝑂2, and also extreme pressure conditions in the separation of products and reagents not consumed. Thus, this work aims to study the viability of a membrane based on a forest of carbon nanotubes, in the separation of a mixture of 𝐻2, 𝐶𝑂2 and 𝐶𝐻4 under standard temperature and pressure. Initially, we evaluated the barrier profile of the potential for interaction with the guided transport of each molecule through the interior of the nanotube with different diameters, with the potential profile of 𝐻2 and 𝐶𝑂2 oriented horizontally and vertically and 𝐶𝐻4 aligned in the center of the tube. In order to obtain the selectivity of the nanotube forest without the influence of the nanotube length, but with a reduced length so it does not impact the simulation time, we studied the selectivity according to the size of the nanotube forest under the same operating conditions. After 10 𝜂m there is a linearity range, so we opted for the 𝑧𝑖𝑔𝑧𝑎𝑔(12,0) nanotube with 30 repetitions and 48 tubes resulting in a length of 12,36𝜂m and an accessible area of 82,02𝜂m2. We then proceed to examine the behavior and conformation of the nanotube forest via molecular dynamics. We proposed a mechanism to radially compress the nanotube forest, using thermodynamic tools with the canonical state NP𝑦T. The conformation of the forest in different radical compressions caused deformations in the accessible nanopores of the nanotubes and a change in eccentricity, directly impacting the selectivity of the forest. Finally, we investigated the selectivity of the nanotube forest at different temperatures and medium eccentricities. There is an optimal range of operation in relation to temperature and selectivity and the eccentricity causes an inversion of selectivity between the molecules, indicating that it is possible to separate 𝐻2, 𝐶𝑂2 and 𝐶𝐻4 under standard conditions of temperature and pressure, from of the zigzag(12,0) nanotube forest. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26315 |
| Aparece nas coleções: | FB - Engenharia Química |
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