Моделирование газовой фазы в замкнутом нанообъеме методом молекулярной динамики

Для того чтобы выявить характерные особенности поведения модельной системы был проведен ряд численных экспериментов, в рамках которых были построены кинетические кривые адсорбции.

Для удобства обработки результатов моделирования был введен критерий адсорбированности частицы, заключающийся в следующем: частица является адсорбированной, если кратчайшее расстояние между частицей и поверхностью меньше четырех эквивалентных ван-дер-ваальсовых диаметров.

Параметры модельной системы были приняты следующими: 1) Температура = 180К; 2) Давление = 2.04 атм.; 3) в начальный момент времени кол-во адсорбированных частиц равно 0. Результат единичного эксперимента приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Кинетическая кривая без осреднения

Представленный результат позволяет оценить размер флуктуаций, характерный для модельной системы. На рисунке 2 представлен результат осреднения по 10-ти экспериментам с аналогичными параметрами. Штриховой линией обозначено примерное время установления адсорбционного равновесия.

Рисунок 2 – Кинетическая кривая с осреднением по 10-ти опытам

На рисунке 3 приведены кинетические кривые адсорбции, полученные при различных исходных давлениях газа.

Рисунок 3 – Кинетические кривые при различных значениях P

Полученные результаты на качественном уровне согласуются с известными кинетическими зависимостями, описываемыми теорией полимолекулярной адсорбции.

В отличие от классических методов описания кинетики адсорбции, использование ММД позволяет оценить размер термодинамических флуктуациями, а также в явном виде получить пространственные распределения частиц.

Построение кинетических кривых адсорбции позволило определить время установления адсорбционного равновесия в модельной системе (пункт 3.4). Усредняя участки кинетических кривых после установления равновесия, можно построить участки изотерм адсорбции для модельной системы, которые представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Изотермы адсорбции модельной системы

Отличия в виде полученных изотерм можно объяснить тем, что при снижении температуры, значение Р ₀ также снижается. Это приводит к тому, что на изотерме, соответствующей температуре 120К, наблюдается ветвь перехода к конденсации.

Изотерма, полученная при температуре 180К, соответствует ленгмюровскому участку изотермы БЭТ, тогда как при температуре 120К наблюдается качественное согласие с изотермой БЭТ 2-го типа (полимолекулярная адсорбция на непористых или макропористых адсорбентах.), что ожидаемо при принятых допущениях.