شبیه سازی سطوح جاذب با کامسول

شبیه سازی سطوح جاذب با کامسول گاهی اوقات مواد شیمیایی به سطوح می چسبند. این می تواند در سطوح جامد در فاز گاز و همچنین سطوح جامد غوطه ور در محلول مایع رخ دهد. توانایی محلی سازی مواد شیمیایی در سطوح می تواند در فرآیندهای سنجش و جداسازی و همچنین وسیله ای برای کاتالیز کردن یک واکنش شیمیایی جالب باشد. در اولین پست وبلاگ در این مجموعه، بحث کردیم که چرا سطوح اغلب می توانند شیمی منحصر به فردی داشته باشند. (Adsorption at Surfaces)

فرآیند چسبیدن به سطوح را جذب سطحی می گویند. این نباید با کلمه جذب اشتباه گرفته شود، که اشاره به جذب یک ماده شیمیایی به بخش عمده جامد یا محلول دارد. جذب ممکن است شامل تشکیل پیوند شیمیایی مستقیم بین سطح و ماده جاذب (شیمی‌جذب) باشد یا ممکن است شامل یک جاذبه بین باشد. سطح و جذب از طریق نیروهای بین مولکولی مانند پیوند هیدروژنی یا نیروهای واندروالس (فیزیجذب). به طور کلی، مولکول های فیزیورب شده در صفحه سطح تحرک بیشتری دارند و ضعیف تر جذب می شوند.

انجام پروژه comsol و ایزوترم های جذب

فرآیند جذب را می توان به عنوان یک واکنش تعادلی توصیف کرد.
که در آن گونه شیمیایی A(g) در فاز گاز، جاذب نامیده می شود: با سرعت خاصی از جذب جذب می شود و سپس با سرعت معینی دفع می شود.
چگونه این واکنش تعادلی را به صورت ریاضی توصیف کنیم؟ یکی از ساده ترین رویکردها، مدیون شیمیدان فیزیک آمریکایی ایروینگ لانگمویر است. او در مدل خود، مفروضات زیر را مطرح کرد:
حداکثر غلظت سطحی جاذب، csat (mol m-2) وجود دارد که در آن سطح اشباع می شود.
ثابت‌های سرعت جذب به پوشش جزئی ماده جذب بستگی ندارد: یعنی همه مکان‌های جذب یکسان و مستقل از یکدیگر هستند.
جذب یک فرآیند مرتبه دوم است که سرعت آن در غلظت جذب در فاز حجیم مجاور سطح و همچنین نسبت مکان‌های خالی خطی است.
دفع یک فرآیند مرتبه اول است که نرخ آن در پوشش جزئی جذب سطحی خطی است
با استفاده از این مفروضات، می‌توان شار ماده بر روی سطح ناشی از جذب را به صورت زیر بیان کرد:
که در آن Nads شار روی سطح است (mol m-2 s-1). kads ثابت سرعت جذب (m3 mol-1 s-1) است. cA غلظت سطح در فاز حجیم مجاور (mol m-3) است. و θ پوشش جزئی جاذب است، = cA,ads/csat (بدون واحد)، به طوری که (1-θ) نسبت سایت های خالی است.
به طور مشابه، شار مواد از سطح به دلیل دفع عبارت است از:
که در آن kdes ثابت سرعت دفع (s-1) است.

انجام پروژه کامسول و شبیه سازی سطوح جاذب با کامسول

در حالت تعادل، پوشش سطحی مواد جاذب ثابت است، بنابراین شارهای داخل و خارج از سطح باید برابر باشند. با معادل سازی عبارات بالا و لغو اصطلاحات رایج، متوجه می شویم:
نسبت (kads / kdes) ثابت تعادل برای جذب است و معمولا با حرف بزرگ به عنوان Kads نشان داده می شود. هر چه این ثابت تعادل بزرگتر باشد، نیروی محرکه ترمودینامیکی برای جذب بیشتر است. سپس با مرتب کردن مجدد عبارت بالا، می توانیم پوشش سطح کسری را به صورت زیر بیان کنیم:
این ایزوترم لانگمویر است. برای یک دمای معین، که در آن Kads مقدار مشخصی را می گیرد، می توانیم پوشش سطح کسری ماده جاذب را در حالت تعادل به عنوان تابعی از غلظت توده آن پیش بینی کنیم.
البته مدل لانگمویر یک تقریب ساده است. در سیستم های واقعی، اغلب برهمکنش هایی بین مولکول های جذب شده همسایه وجود دارد، به طوری که با افزایش پوشش سطح کسری، جذب مواد اضافی آسان تر یا دشوارتر می شود. از این رو، مدل‌های ریاضی پیچیده‌تری برای محاسبه دقیق‌تر سیستم‌های جذب واقعی ایجاد شده‌اند. به طور خاص، ایزوترم فروندلیچ حاوی یک ثابت تجربی اضافی است که می تواند برهمکنش بین مولکول های جذب شده را توضیح دهد. ایزوترم BET را می توان برای سیستم هایی استفاده کرد که در آنها جذب چند لایه انجام می شود، به طوری که لایه های دوم و بعدی مولکول های جذب شده به مولکول هایی از همان نوع متصل می شوند، نه به سطح زیرین بستر شیمیایی. شبیه سازی میکرو آینه (Micro Mirror) کامسول مطالعه کنید.

تعریف جذب در نرم افزار
هنگام تنظیم مدل های انتقال و واکنش گونه های شیمیایی با نرم افزار، می توانید از طیف وسیعی از ابزارها برای معرفی اثرات جذب در مدل های خود استفاده کنید.
برای جذب در محیط های متخلخل همگن، یک زیرگره جذب ویژه برای ویژگی های حوزه انتقال رسانه متخلخل و ویژگی های دامنه رسانه متخلخل جزئی اشباع در دسترس است. در این زیرگره، می‌توانید جذب «Langmuir»، «Freundlich» یا «User تعریف شده» را برای هر یک از گونه‌های فله تعریف کنید. در اینجا، ما فرض می‌کنیم که گونه‌های جذب‌شده با توده در تعادل ترمودینامیکی هستند، بنابراین روابط ایزوترم دقیقاً برقرار است. برای مثالی از نحوه استفاده از این زیرگره Adsorption، تصویر زیر را ببینید.