Μοριακή προσομοίωση μιγμάτων ιοντικών υγρών με αέρια

Καρανάσιου, Κωνσταντίνα; Karanasiou, Konstantina

dc.contributor.author	Καρανάσιου, Κωνσταντίνα	el
dc.contributor.author	Karanasiou, Konstantina	en
dc.date.accessioned	2020-10-19T05:27:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51489
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19187
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ιοντικά Υγρά	el
dc.subject	Ρόφηση	el
dc.subject	Διοξείδιο του άνθρακα	el
dc.subject	Μοριακή δυναμική	el
dc.subject	Μέθοδος widom	en
dc.subject	Ionic liquids	en
dc.subject	Sorption	en
dc.subject	Widom method	en
dc.subject	Molecular dynamics	en
dc.subject	Carbon dioxide	en
dc.title	Μοριακή προσομοίωση μιγμάτων ιοντικών υγρών με αέρια	el
dc.title	Molecular simulation of mixtures of ionic liquids with gases	en
dc.contributor.department	Εργαστήριο Μοριακής Θερμοδυναμικής και Μοντελοποίησης Υλικών,Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης Και Νανοτεχνολογίας, ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος"	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.classification	Φυσικοχημεία	el
heal.dateAvailable	2021-10-18T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-15
heal.abstract	Τα ιοντικά υγρά, τα οποία είναι άλατα σε υγρή κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου, έχουν αναγνωριστεί, τα τελευταία είκοσι χρόνια και κυρίως την τελευταία δεκαετία, για τον ιδιαίτερο συνδυασμό σημαντικών ιδιοτήτων όπως τα χαμηλό ιξώδες, η ιοντική τους αγωγιμότητα και η θερμική τους σταθερότητα, που τα καθιστά ιδανικά για χρήσησε ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών χάρη στο σύνολο των ευνοϊκών ιδιοτήτων τους. Τα ιοντικά υγρά χρησιμοποιούνται, μεταξύ άλλων, ως διαλύτες, λιπαντικά, μεταφορείς φαρμάκων, ηλεκτρολύτες σε πλήθος ενεργειακών εφαρμογών, μέσα πολυμερισμού, αντιμικροβιακοί παράγοντες και βιοκτόνα. Οι έρευνες γύρω από το πεδίο των ιοντικών υγρών, τόσο υπολογιστικές όσο και πειραματικές, πληθαίνουν συνεχώς. Ο τεράστιος αριθμός(δεκάδες δισεκατομμύρια) πιθανών ιοντικών υγρών με μεγάλη ποικιλομορφία στη χημική δομή, η οποία επηρεάζει τα χαρακτηριστικά τους και τη μακροσκοπική τους συμπεριφορά, επιτρέπει το σχεδιασμό ιοντικών υγρών με συγκεκριμένες ιδιότητες. Προκειμένου να γίνει εφικτός ο σχεδιασμός σε μοριακό επίπεδο υλικών για συγκεκριμένη χρήση, είναι απαραίτητη η κατανόηση της σχέσης μεταξύ χημικής δομής και ιδιοτήτων και η συμβολή των μοριακών προσομοιώσεων στην κατεύθυνση αυτή είναι πολύ μεγάλης σημασίας. Αντικέιμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη του ιοντικού υγρού [bmim]+[TCM]- με μεθόδους μοριακής προσομοίωσης. Μεταξύ άλλων εφαρμογών η συγκεκριμένη οικογένεια ιοντικών υγρών έχει αναγνωριστεί ως κατάλληλη για τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Πραγματοποιήθηκαν προσομοίωσεις μοριακής δυναμικής και μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του CO2 στις θερμοδυναμικές, δομικές και δυναμικές ιδιότητες του ιοντικού υγρού σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Οι προσομοίωσεις διεξήχθησαν με χρήση λογισμικού LAMMPS, εφαρμόζοντας ένα υπάρχον πεδίο δυνάμεων, το οποίο είχε ήδη βελτιστοποιηθεί και επαληθευτεί για την συγκεκριμένη οικογένεια ιοντικών υγρών. Επιπλέον, εξήχθησαν ισόθερμες ρόφησης για συστήματα ιοντικού υγρού και CO2 με την εφαρμογή μιας μεθόδου πολλαπλών βημάτων, η οποία αποτελούνταν από διεξαγωγή ακολουθίας προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής υπό διορθούμενη πίεση και δοκιμαστικών ενθέσεων σωματιδίων κατά Widom. Η μέθοδος Widomαποτελεί μια στατιστική θερμοδυναμική προσέγγιση μέσω της οποίας μετρείται το χημικό δυναμικό και μέσω αυτού η πτητικότητα. Τα βήματα της μεθόδου επαναλαμβάνονταν μέχρι να υπάρξει σύγκλιση της πίεσης. Το σύστημα ιοντικού υγρού και CO2 μελετήθηκε για ένα εύρος πιέσεων από 0.1 – 10 MPa, όπως προκύπτει από τα δεδομένα των ισοθέρμων ρόφησης,και για ένα εύρος θερμοκρασιών από τους 298.15Κ έως και τους 398.15Κ για τρεις συστάσεις CO2 x=0.1, x=0.2 και x=0.4. Συνολικά, το CO2 επιφέρει μια μικρή αλλά συστηματική αύξηση στην πυκνότητα του ιοντικού υγρού από 0.1%-1%, χωρίς όμως να επηρεάζει σημαντικά τις δομικές ιδιότητες του ιοντικού υγρού, καταλαμβάνοντας μάλλον κατα κύριο λόγο προϋπάρχουσες περιοχές ελεύθερου όγκου. Το φαινόμενο αυτό συνοδεύεται από τη μείωση του γραμμομοριακού όγκου, σε πλήρη συμφωνία με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Παρόλη την μικρή αύξηση στην πυκνότητα, παρατηρείται μία σημαντική αύξηση στις δυναμικές ιδιότητες του συστήματος, όπως στον συντελεστή αυτο-διάχυσης των ιόντων. Στη χαμηλή θερμοκρασία (298Κ) στην οποία το καθαρό ιοντικό υγρό εμφανίζει χαρακτηριστικά υπέρψυκτου υγρού, παρατηρείται αύξηση μέχρι και 200% με την αύξηση αυτή να μειώνεται αυξανόμενης της θερμοκρασίας, όπου ήδη η κινητική του συστήματος είναι αρκετά πιο γρήγορη. Το ιξώδες του συστήματος μειώνεται με την προσθήκη CO2 και με την αύξηση της θερμοκρασίας, σε συνέπεια με την αύξηση της διαχυτότητας των ιόντων. Η αποτελεσματικότητα των υπολογιστικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν ελέγχθηκε με σύγκριση των προβλέψεων με διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις και δεδομένα που υπάρχουν στην βιβλιογραφία και βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με αυτά.	el
heal.abstract	Ionic liquids are salts that are in the liquid state at room temperature. During the past decade they have been gaining ground on a vast number of applications thanks to their unique combinations of properties such as non-volatility, ionic conductivity, chemical stability, wide range of temperatures over which they remain in the liquid state, and thermal stability. Ionic liquids are used in many applications such as solvents, lubricants, drug carriers, electrolytes, polymerization media, biocidal products and antimicrobial agents etc. Research in the field of ionic liquids is constantly growing, and experimental as well as computational studies offer great insight into their physicochemical properties. The vast number of possible ionic liquids with great diversity in their chemical structure, which affects their features and their macroscopic behavior, offers the advantage of designing ionic liquids with desired properties. The design, from the molecular level, of task-specific ionic liquids necessitates the fundamental understanding of the relation between chemical structure, macroscopic properties, and performance in applications. Molecular simulation has an important contribution in this direction. This work is focused on studying the [bmim]+[TCM] ionic liquid through molecular simulation methods. Among other applications, this specific category of ionic liquids is considered as appropriate for CO2 capture. Series of molecular simulations have been conducted using the molecular dynamics method and the effect of CO2 on the thermodynamic, structural and dynamical properties of the ionic liquidat different temperature has been studied thoroughly. For the molecular simulations we used the LAMMPS programme, applying an existing force field which was optimized and verified for this certain family of ionic liquids. Furthermore, sorption isotherms were calculated for the mixtures of ionic liquids and CO2 through an iterative method that incorporates series of molecular dynamics simulations and the Widom test particle insertion method, the latter being a statistical thermodynamic approach that enables the calculation of chemical potential. The mixture of the ionic liquid and CO2 was studied over a range of pressure values 0.1-10MPa and over a range of temperature values 298.15K – 398.15K for three values of CO2 concentration. The presence of CO2 induces a very small but systematic increase in the system’s densities of the order of 0.1%-1%, while simultaneously the local structure remains rather unaffected even at high CO2 concentrations, as CO2 is probably accommodated in pre-existing regions of unoccupied volume between the ions. A decrease in the system’s molar volume was observed, which is in very good agreement with experimental data in the same ionic liquid/CO2 systems. An enchancement of the dynamics of the ionic liquid was also calculated as a function of CO2 concentration, with the ion self-diffusion coefficient exhibiting even an increase of 200% at the lowest temperature of 298K, at which the pure system exhibits characteristics of a super-cooled liquid. The viscosity of the system appears to be reduced when intensifying the presence of CO2 and when increasing the temperature in a self-consistent manner with the enchancement of the systems dynamics. The predictions of the implemented methodology were directly compared and found in very good agreement with available experimental data.	en
heal.advisorName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Σταθερόπουλος, Μιλτιάδης	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	94 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false