Molecular dynamics investigations into the hydrogen permeation mechanism of polyethylene pipeline material

渗透 材料科学 溶解度 分子动力学 阿累尼乌斯方程 扩散 无定形固体 热力学 化学工程 化学 活化能 物理化学 有机化学 计算化学 生物化学 物理 工程类
作者
Dukui Zheng,Jingfa Li,Bing Liu,Bo Yu,Yafan Yang,Dongxu Han,Jianli Li,Zhiqiang Huang
出处
期刊:Journal of Molecular Liquids [Elsevier BV]
卷期号:368: 120773-120773 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.molliq.2022.120773
摘要

To avoid hydrogen embrittlement and other hydrogen damage caused during hydrogen transportation using metal pipelines, it is feasible to transport hydrogen through nonmetallic polyethylene (PE) pipelines. However, gas permeation and leakage are more obvious for hydrogen delivery using PE pipelines than those using metal pipelines. To reveal the permeation and diffusion mechanisms of hydrogen in PE pipelines, the Grand Canonical Monte Carlo simulation and molecular dynamics are conducted. The solubility and diffusion characteristics of hydrogen in amorphous PE are investigated at temperatures of 270–310 K and pressures of 0.1–0.7 MPa. The influences of temperature and pressure on hydrogen permeation are also analyzed. The results show that the solubility, diffusion, and permeability coefficients of hydrogen in amorphous PE increase with increasing temperature, and their relationships with temperature are consistent with the Arrhenius law. Pressure has a negligible effect on the permeability coefficient of hydrogen in amorphous PE, whereas temperature appreciably affects the permeability coefficient. The diffusion of hydrogen in PE conforms to the "hopping" mechanism. The hydrogen molecule vibrates in the free volume pore for a long time and then quickly hops to the adjacent pores to complete diffusion. The hydrogen molecule continues to vibrate and hop, eventually moving further away from its initial position and permeating through PE materials.
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