Προσομοίωση Χημικοαπορρόφησης

Μαθηματική μοντελοποίηση και Πολύπλοκα Δίκτυα

Ο στόχος της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η δημιουργία ενός μοντέλου χημικοαπορρόφησης. Η χημικοαπορρόφηση είναι μία διεργασία κατά την οποία απορροφούνται χημικές ουσίες σε μία επιφάνεια που έχει τις κατάλληλές συνθήκες για να αντιδράσουν.

Το παρακάτω μοντέλο δείχνει πως γίνεται η μετατροπή μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο, πάνω σε έναν καταλύτη.

Η ανάλυση του μοντέλου που θα πραγματοποιήσουμε αποτελείται από 4 αντιδράσεις:

X + O2 ↔ X −O2 (1)

X −O2 + X → 2X −O (2)

X −O + CO → X −CO2 (3)

X −CO2 + X −O → X −O + X + CO2 (4)

Έστω ότι συμβολίζουμε με X τις ενεργές θέσεις μίας επιφάνειας, αυτές οι θέσεις θα μπορούσαν να είναι τα άτομα στην επιφάνεια ενός καταλύτη.

Η αντίδραση (1) δείχνει ότι ένα μόριο οξυγόνου μπορεί να απορροφηθεί σε μία ενεργή θέση δημιουργώντας δεσμό και αντίστροφα αν είναι ήδη απορροφημένο μπορεί να ελευθερωθεί (με πιθανότητες p1 και p2 αντίστοιχα).

Η αντίδραση (2) δείχνει ότι ένα δεσμευμένο μόριο οξυγόνου μπορεί να διασπαστεί σε δύο άτομα οξυγόνου (αν έχει δίπλα του κενή ενεργή θέση) που το καθένα έχει κάνει δεσμό με μία ενεργή θέση (με πιθανότητα p3).

Η αντίδραση (3) δείχνει ότι αν υπάρχει ένα μόριο μονοξειδίου του άνθρακα στο περιβάλλον, αυτό μπορεί με ένα ήδη απορροφημένο άτομο οξυγόνου να δημιουργήσει δεσμό (με πιθανότητα p4).

Η αντίδραση (4) δείχνει ότι αν ένα απορροφημένο μόριο μονοξειδίου είναι δίπλα σε ένα απορροφημένο μόριο οξυγόνου μπορεί να αντιδράσουν και να δημιουργήσουν ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο μόλις απελευθερωθεί αφήνει πίσω του ένα απορροφημένο άτομο οξυγόνου και μία κενή ενεργή θέση (με πιθανότητα p5).

Το Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) παράγεται από μία διαδικασία που λέγεται ατελής καύση. Ατελής είναι μία καύση όταν δεν υπάρχει αρκετή ποσότητα οξυγόνου έτσι ώστε κατά την καύση να σχηματιστεί διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Το διοξείδιο του άνθρακα δεν είναι βλαβερό για τους ζωντανούς οργανισμούς, σε αντίθεση με το μονοξείδιο το οποίο είναι βλαβερό και θεωρείται ρύπος. Για να μειωθεί η έκκριση και η εκπομπή μονοξειδίου χρησιμοποιούμε καταλύτες οι οποίοι δεσμεύουν οξυγόνο και μετατρέπουν το μονοξείδιο σε διοξείδιο.

Η επιθυμητή μας αντίδραση, με χρήση καταλύτη είναι η :

2CO+Ο2→2CO2

Θεωρούμε ότι δεν υπάρχει μονοξείδιο του άνθρακα. Άρα ο καταλύτης θα περιέχει μία συγκεκριμένη ποσότητα οξυγόνου. Στην συνέχεια που ξεκινάει η καύση αρχίζει και παράγεται μονοξείδιο του άνθρακα ο καταλύτης βοηθά στην δέσμευση του οξυγόνου. Όσο θα υπάρχουν κατάλοιπα της ατελούς καύσης και συνεχίζει και παράγεται μονοξείδιο του άνθρακα, η συγκέντρωση οξυγόνου του καταλύτη μειώνεται αφού ο καταλύτης μετατρέπει το μονοξείδιο σε διοξείδιο. Έπειτα σταματάμε την δημιουργία μονοξειδίου και κάνουμε μία τελευταία καταμέτρηση του οξυγόνου στον καταλύτη.

Από το διάγραμμα φαίνεται ότι από την στιγμή t=0 έως την t=100 η ποσότητα του οξυγόνου είναι πολύ υψηλή, κάτι που οφείλεται στην απουσία μονοξείδιου του άνθρακα. Από την στιγμή t=100 έως την t=200 που έχουμε μονοξείδιο, βλέπουμε την ποσότητα του οξυγόνου που περιέχει ο καταλύτης να μειώνεται. Από την στιγμή t=200 και μετά που δεν παράγεται άλλο μονοξείδιο η ποσότητα του οξυγόνου στον καταλύτη επανέρχεται στις αρχικές υψηλές τιμές.

Από αυτά προκύπτει ότι το μοντέλο που υλοποιήσαμε φαίνεται αξιόπιστο.