دانشکده فناوري هاي نوين
پايان نامه کارشناسي ارشد در رشته نانو مهندسي شيمي
مدل سازي حذف يون کلريد از ميعانات گازي با استفاده از نانوفيلتراسيون
به کوشش:
رضا ملکي
استادان راهنما:
دکتر صمد صباغي
دکتر مجتبي شريعتي نياسر
شهريور 1391
به نام خدا
اظهارنامه
اينجانب رضا ملکي (880736) دانشجوي رشته ي نانو مهندسي شيمي دانشکده ي فناوري‌هاي نوين اظهارمي كنم كه اين پايان نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي كه از منابع ديگران استفاده كرده ام، نشاني دقيق و مشخصات كامل آن را نوشته ام. همچنين اظهارمي نمايم كه تحقيق و موضوع پايان نامه ام تكراري نيست و تعهد مي دهم كه بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. كليه حقوق اين اثر مطابق با آيين نامه مالكيت فكري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.
نام و نام خانوادگي: رضا ملکي
تاريخ و امضا
به نام خدا
مدل سازي حذف يون کلريد از ميعانات گازي با استفاده از نانوفيلتراسيون
به وسيله
رضا ملکي
پايان نامه
ارائه شده به تحصيلات تکميلي دانشگاه شيراز به عنوان بخشي از فعاليتهاي تحصيلي لازم براي اخذ درجه کارشناسي ارشد
در رشته:
نانومهندسي شيمي
از دانشگاه شيراز
شيراز
جمهوري اسلامي ايران
ارزيابي شده توسط کميته پايان نامه، با درجه: عالي
دکتر صمد صباغي، استاديار بخش نانومهندسي شيمي(استاد راهنما)…………………………………………………………………..
دکتر مجتبي شريعتي نياسر، دانشيار بخش مهندسي شيمي (استاد راهنما)………………………………………………………………..
دکتر رضا پولادي، استاديار بخش نانومهندسي شيمي……………………………………………………………………………………………
دکتر سيدمحمد اعظمي، استاديار بخش شيمي…………………………………………………………………………………………………….
شهريور ماه 1391
حمد بي پايان پرودگار عالميان را سزاست که اول است چون پيش از او بودي نبوده و آخر است که پس از او وجودي نخواهد بود
و توفيقي نيست مگر به عنايت او
سپاسگزاري
هم اکنون که اين رساله به پايان رسيده است، بر خود لازم مي دانم پس از شکر خداوند بي همتا که هر نعمتي از خزانه رحمت اوست، از زحمات و مرارت هاي خانواده و والدينم که هميشه کمال لطف را به فرزندشان مبذول داشته اند، کمال تشکر و سپاس را دارم و نيز از زحمات و پشتيباني اساتيد ارجمند خصوصاجناب دکتر صباغي که در تمام مدت انجام اين تحقيق مرا از راهنمائي هاي گران بهاي خود بهره مند ساختند کمال تشکر را بنمايم. همچنين از جناب آقاي مهندس محمدمهدي ظرافت، محمدمهدي نعمت الهي، زارعي و همينطور همراهي بي دريغ ساير دوستان، قدرداني مي نمايم.
چکيده
مدل سازي حذف يون کلريد از ميعانات گازي با استفاده از نانوفيلتراسيون
به کوشش
رضا ملکي
يون کلريد موجود در ميعانات گازي مي تواند باعث خوردگي شديد تجهيزات و لوله ها شود. بنابراين، حذف آن از جريان ميعانات گازي ضروري است. هدف اين کار مدل سازي رياضي فرايند نانوفيلتراسيون براي جداسازي يون کلريد از ميعانات گازي است. بدين منظور، مدل هاي بار فضايي، مدل سازي غشاي الياف توخالي، شبکه هاي عصبي، انفيس و روش نزديک ترين همسايه ها به کار گرفته شده و مورد بررسي قرار گرفته است. مدل بار فضايي براي سيستم غشايي در مقياس آزمايشگاهي استفاده شده که نتيجه نشان دهنده مقدار زياد جداسازي کلريد از ميعانات گازي بوده است. در بررسي الياف توخالي، ابتدا خروجي مدل با داده هاي آزمايشگاهي مقايسه شده که اين مدل سازي هم بسيار دقيق انجام و منجر به پيش بيني جداسازي مناسب گرديد. جداسازي بر حسب دبي سيال متغير است. در مرحله بعدي کار از شبکه هاي عصبي استفاده شد که مي تواند براي مدل هاي پيچيده رياضي و حجم زياد محاسبات استفاده شود. قابل توجه است که شبکه هاي عصبي مصنوعي مي تواند مشکل دقت اندک ساير مدل ها را بهبود ببخشد. در نهايت، انفيس و روش نزديک ترين همسايه ها براي مطالعه جداسازي کلريد از ميعانات گازي استفاده شده است. براي مقايسه داده هاي آزمايشگاهي و نتايج مدل سازي تغييرات فشار، غلظت و pH بررسي شده است. تطابق خوبي بين داده هاي آزمايشگاهي و نتايج مدل سازي در مطالعات نظري حاصل گرديد. بنابراين دقت زياد نتايج فرايند مدل سازي و انعطاف پذيري مدل قابليت تعميم آن را به فرايند هاي مشابه فراهم مي کند.
کلمات کليدي: نانوفيلتراسيون، مدل سازي، مدل بار فضايي، شبکه عصبي، يون کلريد، ميعانات گازي
فهرست مطالب
عنوانصفحهفصل اول- مقدمه و مفاهيم اوليه11-1- مقدمه21-1-1- مزاياي جداسازي غشايي21-1-2- طبقه بندي غشاها31-2- نانوفيلتراسيون51-2-1-ويژگي ها و مشخصات اصلي نانوفيلتراسيون61-2-2- ساختار نانوفيلتراسيون71-2-3- کاربرد نانوفيلتراسيون81-3- ميعانات گازي111-4- تعريف مساله و بيان سوال هاي اصلي تحقيق12فصل دوم- مروري بر تحقيقات گذشته152-1- مدل هاي آزمايشگاهي162-1-1- مدل DSPM 162-1-2- مدل DSPM-DE172-2- مدل هاي تئوري192-2-1- مدل بار ثابت192-2-2- مدل بار فضايي192-3- مدل‌سازي الياف توخالي 202-4- مدل‌سازي بر مبناي ديناميک سيالات محاسباتي242-5- مدل‌سازي بر مبناي هوش مصنوعي25فصل سوم- مدل سازي263-1- مدل DSPM-DE273-2- مدل بار فضايي303-3- مدل‌سازي الياف توخالي 333-3-1- قسمت پوسته343-3-2- قسمت غشا353-3-3- قسمت لوله363-4- مدل‌سازي با استفاده از هوش مصنوعي373-4-1- شبکه هاي عصبي مصنوعي383-4-2- مدل‌هاي شبکه هاي عصبي مصنوعي413-4-2-1- مدل نرون تک ورودي423-4-2-2- مدل نرون چند قطبي463-4-3- ساختار شبکه عصبي483-4-3-1- شبکه تک لايه493-4-3-2- شبکه چند لايه493-4-3-3- شبکه هاي پس خور يا برگشتي513-4-4- يادگيري شبکه هاي عصبي مصنوعي523-4-4-1- الگوريتم يادگيري پس از انتشار خطا543-4-5- مدل نزديک ترين همسايه ها58فصل چهارم-روش المان محدود604-1- مقدمه614-2- تاريخچه روش عناصر محدود 624-3- مراحل اصلي تحليل عناصر محدود634-4- مدل هاي رياضي644-5- روش هاي مهم كلاسيك عددي644-5-1-روش ريتز644-5-1-1- معايب استفاده از روش تحليل ريتز654-5-2- روش گالرکين به عنوان يك روش باقيمانده وزن دار664-5-3- مقايسه روش ريتز و روش گالرکين674-6- حوزه کاربردهاي روش عناصر محدود684-7- فرآيند تحليل عناصر محدود 684-8- ملاحظات همگرايي در تحليل عناصر محدود 694-9- خطاهاي تحليل عناصر محدود 704-10- معيارهاي همگرايي يکنوا 704-10-1- معيارهاي همگرايي يکنوا- شرط سازگاري 71فصل پنجم- نتايج و بحث725-1- مدل سازي سيستم غشايي 735-1-1- مدل سازي رياضي735-1-2- هندسه و مش بندي745-1-3- نتايج مدل‌سازي براي سيستم استوانه اي755-2- مدل سازي سازي غشاي نانوفيلتراسيون الياف توخالي 855-2-1-1- اثر دبي ورودي 915-3- مدل سازي به روش شبکه عصبي935-4- مدل سازي با استفاده از انفيس975-5- مدل سازي به روش نزديک ترين همسايه‌ها102فصل ششم-نتيجه گيري و پيشنهادها1086-1- نتيجه گيري1086-2- پيشنهادات109منابع و ماخذ111

فهرست جدول ها
عنوانصفحهجدول 2-1- کاربرد نانوفيلتراسيون در صنايع مختلف9جدول 5-1- شرايط خوراک در مدل سازي88جدول 5-2- مقايسه دقت محاسبات در نرون هاي مختلف94جدول 5-3- ارزيابي دقت مدل براي توابع عضويت مختلف100
فهرست شکل ها
عنوانصفحهشکل 2-1- شمايي از سيستم غشايي الياف توخالي 21شکل 2-2- غشاي الياف توخالي ، الف: فرض يک استوانه تودرتو براي يک فيبر غشايي
ب: مقطع عرضي واقعي سيستم23شکل2-3- سيستم غشايي شامل کانال عبور جريان و غشاي نانوفيلتراسيون24شکل3-1 المان اوليه سيستم الياف توخالي براي مدل‌سازي36شکل 3-2- اجزاي اصلي يک شبکه عصبي بيولوژيک40شکل 3-3- مدل نرون تک ورودي44شکل 3-4- توابع مورد استفاده مدل سلول عصبي47شکل 3-5- مدل چند ورودي يک نرون48شکل 3-6- فرم ساده شده نرون با R ورودي49شکل 3-7- شبکه تک لايه با S نرون50شکل 3-8- شبکه پيش خور سه لايه51شکل 3-9- بلوک تاخير زماني52شکل 3-10- شبکه تک لايه برگشتي53شکل 5-1- بزرگنمايي قسمتي از مش هاي سيستم
شکل 5-2- شمايي از تغييرات غلظت محوري در کانال75
76شکل 5-3- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف کانال77شکل 5-4- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف يک مقطع عرضي78شکل 5-5- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف يک مقطع طولي79شکل 5-6-تغييرات دبي يون کلريد در مقطع شعاعي کانال80شکل 5-7- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف غشا81شکل 5-8- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف غشا82شکل 5-9- تغييرات درصد جداسازي يون کلريد نسبت به فشار83شکل 5-10- تغييرات درصد جداسازي کلريد بر حسب بار سطحي غشا84شکل5-11- ارزيابي مدل در مقايسه با سيستم الياف توخالي مشابه87شکل 5-12- توزيع دبي در سيستم غشايي الياف توخالي 89شکل 5-13- توزيع غلظت در جهت شعاعي در غشاي الياف توخالي 90شکل 5-14- تغييرات غلظت بر حسب فاصله، در مقادير متفاوت دبي ورودي سيال لوله91شکل 5-15- تغييرات غلظت بر حسب فاصله، در مقادير متفاوت دبي ورودي سيال پوسته92شکل 5-16- مقايسه درصد جداسازي حاصل از مدل‌سازي و مقادير آزمايشگاهي درصد جداسازي95شکل 5-17- ساختار انفيس97شکل 5-18- ساختار انفيس همراه ورودي و خروجي‌هاي آن99شکل 5-19- نتايج مقايسه درصد جداسازي از مدل‌سازي و داده هاي آزمايشگاهي101شکل 5-20- مقايسه نتايج مدل‌سازي و داده هاي آزمايشگاهي براي شرايط مختلف غلظت، فشار و pH105
علائم و نشانه ها
توضيحاتعلائم و نشانه ها واحد چگاليسرعتm/sفشارPنيروي حجميFKg m2/sويسکوزيتهويسکوزيته موثرضريب انتقال جرم جز im2/sدبي انتقال جرم محوري جز iدبي انتقال جرم شعاعي جز iغلظت جز iMol/m3سرعتm/sپتانسيل الکتريکيVثابت گازها R

فصل اول
1- مقدمه و مفاهيم اوليه
1-1- مقدمه
فيلتراسيون فرآيندي که طي آن حل‌شونده با عبور از يک محيط يا مانع نيم‌تراوا، به صورت فيزيکي جداساز‌ي مي‌‌گردد. فرآيندهاي غشايي، فرآيندهاي فيلتراسيون پيشرفته‌اي هستند که از خواص جداسازي لايه‌هاي پليمري يا غيرآلي متخلخل بهره مي‌گيرند و در گستره وسيعي از فرآيندهاي صنعتي به منظور جداسازي مولکول‌هاي زيستي، کلوئيدها، يون‌ها، حلال‌ها و همچنين گازها مورد استفاده مي‌باشند. در تعريف IUPAC، نانوفيلتراسيون يک فرآيند جداسازي بر پايه غشا و با نيرو محرکه فشار است، که در آن، ذرات و مولکول‌هاي کوچکتر از 2 نانومتر جدا مي شوند[1]. غشاها مي‌توانند در بيش‌تر فرايندهاي جداسازي به کار روند و فرايندهاي شيميايي از قبيل تقطير، استخراج و جذب را تکميل نمايند و يا جايگزين مناسبي براي آن‌ها باشند.
مزاياي جداسازي غشايي
مصرف انرژي كمتر براي انجام جداسازي
امكان انجام عمليات جداسازي در دماي محيط
سهولت دستيابي به كليه فازهاي جداسازي شده
انجام عمليات جداسازي توسط تجهيزاتي با وزن و حجم كم
نصب و عمليات ساده
حداقل نياز به كنترل، بازرسي، تعمير و نگهداري
عدم نياز به استفاده از مواد شيميايي براي جداسازي و در نتيجه عدم وجود مسائل زيست محيطي
در گذشته بيش ترين کاربرد ميکروفيلتراسيون در صنايع نوشيدني، سترون سازي تجاري سرد براي مصارف دارويي و تامين آب خالص در فرايندهاي نيمه رسانايي بود. تا سال 1960 با وجود درک اصول اساسي غشاهاي مدرن صنايع مهمي در اين زمينه وجود نداشت تا اينکه به تدريج با رفع برخي از معايب آنها نظير قيمت بالا، فرايندهاي کند و زمان‌بر، غير انتخابي بودن و… غشاها از آزمايشگاه به صنعت راه يافتند. غشاها را به چند صورت مي توان طبقه‌بندي کرد[2,3]:
1-1-2- طبقه بندي غشاها
دسته‌بندي بر اساس ماده سازنده:
پليمرهاي آلي، مواد غيرآلي (اکسيدها، سراميک ها و فلزات)، ماتريس هاي هيبريدي يا مواد کامپوزيت
دسته‌بندي بر اساس سطح مقطع غشا:
ايزوتروپيک (متقارن)، ناهمسان (نامتقارن)، دو يا چندلايه اي، لايه نازک کامپوزيت ماتريس هيبريدي
دسته‌بندي بر اساس روش آماده سازي:
جدايش فاز پليمرها، فرايند سل- ژل، واکنش سطحي، کش دهي، اکستروژن، حکاکي
دسته‌بندي بر اساس شکل غشا:
صفحه اي، فيبرتوخالي و کپسول توخالي
اساس فرايندهاي غشايي عبور مواد از ميان صافي است که اين امر توسط يک نيروي رانشي صورت مي‌گيرد. اين رانش در فرايندهاي غشايي به چهار دسته تقسم مي شود و شامل:
الف) اختلاف فشار: در فرايندهاي غشايي ميکروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون، نانوفيلتراسيون و اسمز معکوس
ب) اختلاف پتانسيل الکتريکي : نظير الکترودياليز و الکتروليز غشايي
ج) اختلاف دما
د) اختلاف غلظت
در فرايندهاي غشايي ميکروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون، نانوفيلتراسيون و اسمز معکوس نيروي رانش اختلاف فشار است اما در ساير فرايندهاي غشايي همان‌گونه که اشاره شد، اين نيروي رانشي مي‌تواند متفاوت باشد. دامنه کاربرد و ابعاد انواع غشاهاي ميکروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون، نانوفيلتراسيون و اسمز معکوس متفاوت است.
در يک فرآيند فيلتراسيون، دوفازي که با يکديگر در تعادل ترموديناميکي نيستند توسط يک غشا نيمه‌تراوا جدا مي شوند. غشاي ياد شده مانند يک سد يا مانع فيزيکي عمل کرده و عبور يا عدم عبور مواد از يک فاز به ‌فاز ديگر را کنترل مي‌کند. اسمز معکوس براي نمک‌زدايي محلول‌هاي آبکي، توليد آب بسيار خالص و در صنايع غذايي و شير مورد استفاده قرار مي گيرد. از آن جايي که ذرات بسيار ريز به طور اجباري طي فرآيند اسمز معکوس حبس مي‌شوند، روزنه‌هاي بسيار کوچک (کم تر از يک نانومتر) و فشارهاي بالا (بيش از ?? بار) براي انجام اين فرآيند لازم است.
به منظور جداسازي ذرات بين ? تا ??? نانومتر (پليمرها، پروتئين‌ها ، ويروس‌ها و….) از فرآيند اولترافيلتراسيون استفاده مي شود[5 ,4]. در اولترافيلتراسيون، روزنه‌هاي غشا بزرگ‌تر از روزنه غشاهاي اسمز معکوس بوده و فشارهاي پايين(کم تر از ?? بار) نياز است. در دو دهه اخير، تلاش‌هاي قابل توجهي براي دستيابي به پيشرفت‌هايي در زمينه توليد غشاهايي که داراي خواص بين دو فرآيند ياد شده يعني فشار بالا(مشابه فرآيند اسمز معکوس) و فشارهاي پايين (همچون فرآيند اولترافيلتراسيون) باشد، انجام شده که نتيجه آن، توليد نانوفيلتراسيون مي‌باشد. امروزه نانوفيلتراسيون جايگاه مهمي در صنايع مختلف پيدا کرده و شکاف بين اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون را پر کرده است. اندازه روزنه‌ها در نانوغشاها بين غشاهاي اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون(در محدوده ? نانومتر يا کوچک تر) بوده و بنابراين ذرات با قطر حد واسط بين اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون با يک مکانيسم غربالي جدا مي‌شوند. علاوه بر اين مواد مورد استفاده، در ساخت نانوغشاها باردار بوده و ذرات تحت يک مکانيسم دافعه الکتروستاتيکي نيز جدا مي‌شوند[6].
1-2- نانوفيلتراسيون1
اين تصفيه مربوط به فرايند تخصصي غشا مي باشد که ذرات را در حدود اندازه‌هاي nm1 يا A010 دفع مي کند و به همين علت نانوفيلتر ناميده مي شود[7]. نانوفيلتراسيون در محدود? بين اولترافيلتراسيون2 و اسمز معکوس3 عمل مي کند. مولکول‌هاي آلي با وزن مولکولي بيش از 200 تا 400 را دفع مي‌کند. نمک‌هاي محلول نيز در اندازه هاي 20 تا 98 درصد پس زده مي شوند. نمک‌هايي که آنيون هاي تک ظرفيتي دارند(مانند کلريد سديم يا کلريد کلسيم) حدوداً در انداز? 20 تا 80 درصد دفع مي شوند. در صورتي‌که نمک‌هايي با آنيون‌هاي چندظرفيتي(مانند سولفات منيزيم) بيش از 90 تا 98 درصد دفع مي شوند[9 , 8].
به طور معمول جداسازي نمک‌هاي تک ظرفيتي، دو ظرفيتي و حل‌شده‌هاي غيريوني با وزن مولکولي کم تر از 2000 گرم بر مول، عامل اصلي در انتخاب غشاهاي جديد با خواص و ويژگي‌هاي بين غشاهاي اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون مي‌باشد. امروزه نانوفيلتراسيون به صورت يک فرايند به طور کامل مجزا با خواص کاربردي ويژه به کار گرفته مي‌شود و با دو فرآيند اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون اختلاف‌هاي اساسي دارد. به عبارتي غشاهاي به کار رفته در فرايند نانوفيلتراسيون داراي ساختار متخلخل از نوع ميکرو با قطر روزنه هاي کم تر از ? نانومتر بوده و از مواد پليمري، که در بيش تر حالت‌ها داراي بار يوني مي‌باشند، ساخته شدهاند.
شهرت تجاري نانوفيلتراسيون از اوايل سال هاي ???? آغاز شده و در سال ???? اولين نانوغشاها از جنس مواد سراميکي به صورت تجاري و کاربردي مورد استفاده قرار گرفت[11 ,10]. بعدها نانوغشاهايي از جنس مواد پليمري آلي جهت کاربردهاي خاص به بازار عرضه شد.در حال حاضر غشاهاي نانو در بخش هاي مختلف صنايع مثل بيوتکنولوژي، صنايع غذايي و کشاورزي، توليد آب آشاميدني و حفاظت محيط زيست به طور گستردهاي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. براي مثال، مي توان به جداسازي مواد معدني از لاکتوز در صنايع شير، بازيابي و استفاده مجدد از آب مصرفي در پساب‌هاي رنگي و تصفيه آب شرب در يک مقياس بزرگ اشاره کرد[16- 12].
1-2-1- ويژگي ها و مشخصات اصلي و اساسي فرايند نانوفيلتراسيون
الف) جرم مولکولي ذرات و مولکول‌هاي جدا شده بر اساس وزن مولکولي توسط اين غشا بين ??? تا ???? گرم بر مول (دالتون) قرار مي‌گيرد.
ب) ميزان جداسازي ذرات باردار تابع بار يوني آن‌ها مي باشد (نه جرم مولکولي آن‌ها)
ج) محدوده فشار اعمال شده در اين فرايند در مقايسه با فرايند اسمز معکوس کم تر و بالعکس دبي جريان عبوري از غشا به مراتب بيش تر از دبي به دست آمده از فرايند اسمز معکوس در يک فشار ثابت مي‌باشد. دبي جريان خروجي و عبوري از غشاهاي نانو براساس آناليز تئوري‌هاي دو پديده نفوذ و جابجايي قابل توصيف است.
به دليل استفاده از پليمرهاي يوني در ساخت غشاهاي نانو، جداسازي ذرات يوني از مکانيزم اثر دافعه دونان4 تبعيت مي‌کند. بررسي جزييات مکانيزم‌هاي انتقال مواد در غشا نشان مي‌دهد که اين نوع مکانيزم از ويژگي‌هاي خاص غشاهاي نانو در مقايسه با دو نوع غشاي اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون مي‌باشد[ 18 ،17].
در نانوغشاها يک انتخاب بين يون‌هاي تک‌ظرفيتي و دوظرفيتي وجود دارد. به عبارت ديگر توسط فرايند نانوفيلتراسيون امکان جداسازي يون‌هاي يک‌ظرفيتي از دوظرفيتي وجود دارد. در حالي که عليرغم جداسازي خيلي زياد فرايند اسمز معکوس، اين نوع جداسازي به وسيله غشاهاي اسمز معکوس وجود ندارد.
همچنين در غشاهاي نوع نانو اختلاف بسيار مهمي در نفوذپذيري بين دو ذرهاي که از نظر جرم مولکولي يکسان وليکن داراي بارهاي يوني مخالف (مثل يک ذره يوني مثبت يا منفي، و يک ذره خنثي) هستند، وجود دارد. در حالي که چنين اختلافي در دو نوع غشاي اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون ديده نمي‌شود.
1-2-2- ساختار نانوفيلتراسيون
غشاهاي استفاده شده در فرآيند نانوفيلتراسيون، برحسب ماهيت آلي يا معدني، از پليمرها و يا اکسيدهاي فلزي ساخته شده و داراي يک ساختار نامتقارن هستند[21-19]. يک نانوغشا از سه لايه، که هر يک نقش ويژهاي دارد تشکيل شده است:
الف) لايه اوليه با قطر روزنه‌هاي بزرگتر از ?? نانومتر به منظور دادن مقاومت مکانيکي خوب به غشا و امکان کسب دبي جريان عبوري بالا.
ب) لايه مياني با قطر منافذ بين ? و ?? نانومتر که ارتباط بين لايه حفاظتي و لايه فعال را مطمئن مي‌سازد.
ج) يک لايه فعال که توسط آن عمل جداسازي توسط فرآيند نانوفيلتراسيون انجام مي‌شود. ضخامت اين لايه به نسبت کم بوده و اغلب در حدود کم تر از ميکرون با قطر روزنه‌هايي در مقياس نانومتر مي‌باشد. توزيع اندازه اين روزنه‌ها خيلي باريک مي‌باشد. اين لايه ضمن داشتن دبي جريان عبوري بالا، داراي ويژگي خاص در انتخاب فرآيند جداسازي بين ذرات يوني و غيريوني، که جرم مولکولي آن ها کم تر از ???? گرم بر مول است، مي‌باشد.
اين پايان‌نامه جهت مدل سازي غشاهاي نانوفيلتراسيون جهت بهره گيري از آن‌ها به منظور جداسازي يون کلر موجود در ميعانات گاز پيشنهاد گرديده است. چون وجود اين يون، علاوه بر کاهش کيفيت ميعانات گازي باعث ايجاد مشکلاتي در فرآيندهاي پايين‌دست مي‌شود. از اين‌رو جداسازي آن به منظور ايجاد ارزش افزوده و جلوگيري از بروز مشکلات ضروري است. با توجه به مقادير اندک يون کلر، استفاده از فرآيندهاي متداول که براي جداسازي ذرات از يکديگر و يا جداسازي يون‌هاي نمکي به منظور تهيه آب شيرين و يا جهت اهداف خاصي در صنايع غذائي به کار مي روند، مقرون به‌صرفه نيست. لذا بايد فرآيند‌هايي متکي بر فناوري‌هاي نو، نظير نانوفيلتراسيون مدنظر قرار گيرند.
1-2-3- کاربرد نانوفيلتراسيون
نانوفيلتراسيون براي شيرين سازي آب دريا در يک نمونه نيمه صنعتي استفاده شده است. نانوفيلتراسيون به سيستم اسمز معکوس هم متصل بوده که در اين سيستم با ترکيب عمليات تبخير ناگهاني، اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون شيرين سازي انجام مي شده است[22]. سيستم نانوفيلتراسيون براي کارکرد در دماهاي بالاتر از 120 درجه سانتيگراد هم مورد طراحي، استفاده و آزمايش قرار گرفته است[23]. مطالعات نشان داده که اين سيستم ترکيبي تصفيه آب دريا جهت توليد آب شيرين، در مقايسه با روش رايج اسمز معکوس باعث حدود 30 درصد صرفه جويي در هزينه مي شود. اين نمونه نيمه صنعتي بعدها به مقياس صنعتي هم تعميم داده شد[24]. مطالعات انجام شده حاکي از به صرفه بودن استفاده از سيستم ترکيبي جديد از جنبه هاي مختلف نظير مصرف انرژي و هزينه نسبت به نمونه هاي صنعتي و رايج اسمز معکوس مي باشد[27-25]. کاربردهاي نانوفيلتراسيون در صنايع مختلف رو به گسترش بوده که در جدول 2-1 به پاره اي از اين کاربردها اشاره شده است.
جدول 2-1- کاربرد نانوفيلتراسيون در صنايع مختلف
صنعتکاربردتوليد آبشيرين کردن آب دريا[25-23]تصفيه آب هاي شور [29-28]حذف عوامل سختي آب[30]حذف مواد آلي طبيعي[31]کشاورزيحذف مواد آفت کش[32]حذف فلزات سنگين[33]حذف مواد ضدعفوني [34]حذف سم هاي جلبکي[35]خالص سازي اب هاي آلوده[36]حذف سلنيوم از آب زهکشي[37]داروسازيبازيابيN-acetyl D-neuraminic acid [38]بازيابي سديم سفورکسيم[39]بازيابي سفالکسين[40]عايق سازي Clindamycin[41]شيمياييبازيابي محلول سفيدکننده [42]حذف سولفات از سديم هيدروکسيد[43]صنعت پارچهجداسازي آمينواسيدها[44]تصفيه فاضلاب فرآيند پارچه سازي[45]چرم و پوشاکبازيابي آب و نمک ها از فاضلاب[46]دباغيبازيابي کروميوم[47]کاغذبازيابي آب از فاضلاب[48]غذاحذف مواد معدني آب پنير[49]حذف مواد معدني آب شکر[50]بازيابي آب از رزين[51]خالص سازي اسيدهاي آلي[52]
ميعانات گازي
وجود يون کلر در ميعانات گازي، استفاده از اين محصولات را با چالش‌هاي اجتناب‌ناپذيري روبرو كرده، که از آن جمله مي‌توان به مسموم‌شدن كاتاليست‌ها و تغيير رنگ محصول اشاره نمود. لذا توجه به اين واقعيت که ميعانات گازي نه تنها در مجتمع‌هاي پالايشگاهي و پتروشيمي به عنوان خوراک واحدهاي پالايشي استفاده مي‌شود، بلکه در تأمين ذخائر ارزي به واسطه صادرات اين ماده ارزشمند نيز مي تواند نقش موثري داشته باشد؛ لذا نياز محور بودن اين طرح مشخص مي‌شود. علاوه بر اين وجود برخي ترکيبات نامطلوب در ميعانات گازي همانگونه که اشاره شد، باعث ايجاد مشکلاتي در صنايع پايين‌دست هم مي‌گردد. بنابراين ارتقاء کيفيت اين محصول؛ به منظور رفع اين چالش‌ها و بالا بردن ارزش افزوده آن، از اهميت فوق‌العاده‌اي برخوردار مي‌باشد. ضمن اينکه روش‌هايي که معمولا براي جداسازي کلر به کار مي‌رود، در نهايت منجر به تخليه آن به اتمسفر شده که مشکلات زيست محيطي را به همراه دارد. با توجه به مطالب مذکور، ارائه روشي کارآمد که بتواند از بروز عواقب سوء زيست محيطي جلوگيري نموده و حسب مورد امکان استفاده مجدد اين گاز را ميسر نمايد، احساس مي‌شود. بنابراين حذف اين يون، امري ضروري به نظر مي رسد. در همين رابطه، فناوري نانوفيلتراسيون غشايي مي تواند به عنوان روشي نو براي حل اين مشكل مطرح گردد. در اين تحقيق كارايي اين فناوري در حذف يون کلر موجود در ميعانات گازي، مورد بررسي و ارزيابي قرار خواهد گرفت.
مهم ترين ضرورت مدل سازي درک رفتار واقعي سيستم است. با استفاده از مدل سازي رياضي مي توان به جاي به کارگيري انبوهي از متغيرهاي سيستم، رفتار نهايي سيستم را با وضوح بيش تري مورد مطالعه قرار داد. غالبا استفاده از يک مدل رياضي که سيستم را تعبير نمايد، هزينه آزمايش را پايين خواهد آورد و زمان کم تري صرف حدس و خطا خواهد شد. مدل رياضي يک روش ضروري براي رد يا تاييد يک واحد صنعتي است. کاربرد مدل سازي به اختصار در موارد زير قابل بيان است:
الف) توسعه تحقيقات با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي
ب) طراحي نوع و اندازه دستگاه‌ها
ج) کنترل مشکلات واحدهاي صنعتي و بهينه کردن فرآيندها
د) بررسي روش‌هاي مختلف مدل سازي نانوفيلتراسيون بر مبناي معادلات انتقال جرم
ه) انتخاب مدل مناسب با توجه به شرايط سيستم
ح) بررسي روش‌هاي حل معادلات مدل
ط) بررسي کاربرد مدل در توصيف جداسازي يون کلر از ميعانات گازي
ي) تعويض يا تصحيح مدل در صورت عدم اعتبار آن در مورد ميعانات گازي
1-4- تعريف مساله و بيان سؤال‌هاي اصلي تحقيق
طبق برآوردها و پيش‌بيني‌هاي به‌عمل‌آمده، ظرفيت توليد ميعانات گازي ايران از 95 هزار بشکه در روز در سال 2001، به حدود يک ميليون بشکه در روز در سال 2013 خواهد رسيد. بيش‌ترين ميزان توليد ميعانات گازي ايران از ميدان گازي پارس جنوبي است. اين ميدان، بزرگ‌ترين منبع گازي است که بر روي خط مرزي مشترک ايران و قطر در خليج‌فارس و در فاصله 105 کيلومتري ساحل جنوبي ايران قرار دارد. مطالعات انجام‌شده نشان مي‌دهد که اين ميدان گازي، بيش از 14 تريليون متر مکعب گاز طبيعي و افزون بر 18 ميليارد بشکه ميعانات گازي را در خود جاي داده و روزانه 200 هزار بشكه از اين ميعانات به واسطه فازهاي يك تا پنج اين ميدان توليد مي شود. فقط روزانه 80 هزار بشکه از اين ميعانات در مجتمع پتروشيمي ايران (برزويه و بوعلي) مصرف شده و بخش عمدهاي از ميعانات صادر مي‌شود.
ميعانات گازي بر خلاف بوتان و پروپان نيازمند شرايط ويژه براي مايع ماندن نيستند و به شيوه‌هاي مختلف قادر به تبديل به نفت سبک، بنزين، سوخت جت و… هستند. در قياس با پالايشگاه نفت خام، در پالايشگاه ميعانات گازي، فرآيندهاي تبديلي و پالايشي، كم‌تر وجود دارد. بنابراين هزينه سرمايه‌گذاري آن نصف هزينه سرمايه‌گذاري پالايشگاه نفت خام است. اين محصول به دليل داشتن ارزش حرارتي بالا از اهميت قابل توجهي براي صادرات برخوردار مي باشد. به گونه اي که صادرات آن مي تواند هزينه سرمايه‌گذاري اوليه يک پالايشگاه گازي را ظرف مدت زمان کوتاهي برگرداند، به شرط آن‌که مشخصه فني مطلوب را داشته باشد. لذا باتوجه به حجم عظيم ميعانات توليدي كشور، يک بررسي كاربردي براي رسيدن به مشخصه فني مورد نظر و مطلوب براي استفاده بهينه از اين محصول، بسيار ضروري است. يکي از مشخصه‌هاي فني اين محصول، که نه فقط به لحاظ مصرف بلکه به لحاظ صادراتي نيز داراي اهميت بسزائي مي‌باشد، رنگ آن بوده که اين محصول را به دليل وجود يون‌هايي همچون کلر زرد رنگ مي‌نماياند.
اساسا ميعانات گازي مخلوطي از هيدروکربن‌ها، عمدتاً ، پنتان و هيدروکربن‌هاي سنگين‌تر (+C5) تشکيل شده و داراي گوگرد پايين و معمولا عاري از ناخالصي‌هاي فلزي هستند که هنگام استحصال گاز طبيعي خام از مخازن و بر اثر کم‌شدن فشار و افت دما، مايع مي‌شود. يکي از مواد موجود در مخازن گازي، آب حاوي نمک مي‌باشد که حين استخراج گاز، از چاه خارج شده و بيش تر آن با روش‌هاي فيزيکي جدا مي‌شود. ليکن در طي فرآيند استخراج، بخشي از اين محلول نمکي، همراه با فرآورده‌هاي مايع(يعني ميعانات گازي)، خارج مي‌شود که بدين ترتيب يون کلر نيز وارد ميعانات شده و کيفيت محصول را پايين مي آورد. لذا جداسازي يون کلر موجود در اين ميعانات، يکي از دغدغه‌هاي اصلي در امر پالايش اين محصول مي باشد به طوري که دست‌يابي به ميعانات عاري از کلر، ارزش اين محصولات را چندين برابر مي نمايد. از اينرو اعمال روش‌هايي به منظور جداسازي يون کلر از ميعانات گازي ضروري مي باشد. روش‌هاي مختلفي براي اين جداسازي وجود دارد که از جمله موارد مهم آن، فرآيند جداسازي غشائي و نانوفيلتراسيون است.
از نانوفيلتراسيون که با کمک غشاء انجام مي‌شود براي جداسازي يون‌هاي تک ظرفيتي استفاده مي‌شود. در اين روش مي توان، با استفاده از غشاهاي لايه متراکم، محلول‌هاي حاوي نمک را تغليظ نمود و بدين ترتيب، حلال به همراه يون هاي تک ظرفيتي از غشاء عبور مي کند در حاليکه يون‌هاي بزرگ‌تر يا با بار بيش تر قابليت عبور ندارند. ترکيبات غيرقطبي نيز متناسب با اندازه، قابليت عبور پيدا مي‌کنند.
هدف از اين پايان‌نامه، کاربرد غشاهاي نانوفيلتراسيون در جداسازي يون کلر موجود در ميعانات مي باشد که با استفاده از غشاهاي مناسب(قاعدتا آب‌دوست)، محلول نمکي موجود (که به صورت امولسيون‌هاي فوق ريز وجود دارند) را از ميعانات گازي خارج کرده و محصول نهايي، خالص‌سازي مي‌شود. با توجه به اينکه وجود يون کلر در ميعانات گازي، باعث افت کيفيت محصول مي‌شود؛ از يک سو جداسازي آن يک ضرورت است و از سوي ديگر به دليل کم بودن مقدار محلول نمکي در ميعانات گازي، استفاده از روش‌هاي معمول جداسازي امکان‌پذير و مقرون به‌صرفه نخواهد بود، لذا روش جداسازي غشايي با تکيه بر نانو فيلتراسيون مورد توجه قرار گرفته است.
فصل دوم
2- مروري بر تحقيقات گذشته
2-1- مدل هاي آزمايشگاهي
2-1-1- مدل DSPM
مدل سازي نانوفيلتراسيون جهت جداسازي يون کلر از ميعانات گازي براي اولين بار در دست اقدام است، اما موارد مدل سازي نانوفيلتراسيون مختلفي براي سيستم‌هاي ديگر در سال‌هاي گذشته انجام‌شده است. مدل نيمه تجربي DSPM5 بر اساس ممانعت فضايي و تعادل دونان6 براي اولين بار توسط براون7 در سال 1997 ارائه شد، اين مدل در پيش بيني عملکرد غشاي نانوفيلتراسيون در برخي از محلول هاي نمکي موفق بود[53]. براون و محمد در سال 1998 درصدد بهبود اين مدل برآمدند و اثرات انتقال جرم در محيط يوني را با معادله نرنست پلانک اصلاح شده در نظر گرفتند. . در اين کار سه پارامتر براي استفاده از مدل نياز است که عبارت اند از: ضخامت موثرغشا، چگالي بار موثر غشا و شعاع موثر حفره‌هاي غشا. با استفاده از اين مدل، غشا به صورت يک صفحه همگن غير متخلخل فرض شده و اثرات ناشي از تخلخل به صورت ضرايب تصحيح در نظر گرفته مي شود. نتايج حاصل از مدل با نتايج تجربي تطابق مناسبي را نشان داده‌ است اين مدل در زمان خود به موفق ترين مدل براي پيش بيني عملکرد نانوفيلتراسيون در محلول هاي يوني تبديل شد. فرضيات اين مدل براي حالت يک بعدي به ترتيب عبارتند از:
الف) انتقال در اثر نفوذ، جابجايي و اثرات الکترواستاتيک
ب) اثر مهاجرت و نفوذ با استفاده ازضرايب تصحيح
ج) استفاده از معادله هاگن- پويسوله8 براي اندازه گيري سرعت داخل حفره‌ها
د) درنظر گرفتن جريان داخل حفره‌هاي غشا به صورت آرام
ه) وابستگي فشار عملياتي سيستم به پتانسيل شيميايي حل‌شونده
ز) تشکيل لايه نازک تز حلال داخب حفره ها
ح) با در نظر گرفتن تغييرات ويسکوزيته حلال و ثابت دي‌الکتريک داخل حفره‌ها
ط) مستقل بودن حجم مولي جزيي و ضريب نفوذ مستقل از غلظت
ک) ناچيز بودن لايه غلظتي
ف) غلظت و پتانسيل الکتريکي در جهت محوري و اغماض از تغييرات آنها در جهت شعاعي صرف نظر مي‌شود.[54].
محمد9 و همکاران در سال 1998 سعي کردند تا با استفاده از اين مدل، معياري براي انتخاب غشاي بهينه پيدا کنند[55]. محلول مدل شده در همه اين موارد محلول‌هاي نمکي بوده اند، و کار چنداني روي محلول‌هاي آلي انجام نشده، چنانچه در مورد بخصوص ميعانات گازي سابقه اي در استفاده از نانوفيلتراسيون و مدل سازي آن مشاهده نشده است.
2-1-2- DSPM- DE10
مدل DSPM با وجود اين که به خوبي جداسازي يون هاي تک‌ظرفيتي را پيش‌بيني مي کرد، اما در پيش‌بيني جداسازي يون هاي دوظرفيتي دچار مشکل شده و در صورت زياد بودن دبي سيال عبوري از غشا خطاي قابل توجهي دارد، لذا به نظر مي رسيد که بايد تغييرات جديدي در مدل اعمال شود. يکي از مواردي که در مدل‌هاي قبل در نظر گرفته نشده بود، دافعه دي‌الکتريک بود. اين پديده در اثر برهم کنش الکترواستاتيک بين دو محيط با ثابت دي‌الکتريک متفاوت، که در تماس با هم قرار مي گيرند، ايجاد مي‌شود. در نهايت مدل DSPM- DE به منظور رفع نارسايي‌هاي مدل‌هاي قبل توسط بنديني11 و همکاران در سال 2003 ارائه گرديد[56]. در اين مدل معادله نرنست- پلانک اصلاح شده اساس انتقال جرم را تشکيل مي دهد. ودر آن اثرات انتقال جرم ناشي از جابجايي، نفوذ ناشي از اختلاف پتانسيل الکتروشيميايي که اختلاف غلظت قسمتي از آن است، در نظر گرفته شده است. نتايج اين مدل، حتي در مورد يون‌هاي دوظرفيتي هم تطابق مناسبي با نتايج تجربي را نشان مي دهد.
زيمسيک12 و همکاران در سال هاي 2005 و 2006، با استفاده از اين مدل سعي کردند تا تاثير بار موثر غشا، دبي عبوري و ضخامت را بر عملکرد نانوفيلتراسيون مدل کنند. در بررسي ها مشخص شد که وقتي دبي عبوري زياد و بار غشا کم باشد جابجايي، عامل اصلي انتقال جرم خواهد بود و زماني که بار غشا زياد و دبي عبوري کم باشد نفوذ عامل اصلي انتقال جرم خواهد بود[58 و 57]
براي حل دستگاه معادلات ديفرانسيل غير خطي حاصل از مدل هم تلاش‌هاي فراواني انجام‌شده است. برخي به دنبال راه‌هاي تحليلي بوده اند، که از جمله سورو13 و همکاران در سال 1991 با وجود پيچيده بودن مساله، موفق به حل دستگاه معادلات مشابه براي سيستم الکتروليتي شامل يون‌هاي يک‌ظرفيتي شدند[59]. براي غير از محلول هاي با يون هاي تک ظرفيتي استفاده از راه تحليلي ميسر نشد لذا از روش هاي عددي استفاده شد. از جمله، گاريکا14 و همکاران در سال 2004 از روش روش رانگ کوتا استفاده کردند[60]. در سال 2008، توسط جرالد15 و همکارانش براي حل مشکلات روش‌هاي قبل يک الگوريتم جامع ارائه گرديد. در اين روش نقاط ضعف کارهاي قبل مثل دقت پايين يا مشکلات همگرايي تا حد زيادي حل گرديد. در اين مقاله از روش خطي‌سازي معادلات براي حل آن‌ها استفاده شده و با تکنيک‌هاي عددي به کارگرفته شده، نتيجه بهتري نسبت به روش‌هايي نظير رانگ-کوتا مشاهده شد[61].
2-2-مدل هاي تئوري
2-2-1- مدل بار ثابت
مدل بار ثابت توسط مير16 و همکاران در سال 1936 براي انواع مختلف غشا در محلول هاي الکتروليت پيشنهاد شد. به طور خاص از اين مدل براي غشاهاي تبادل‌گر يوني استفاده شد و در ادامه براي مدل سازي غشاهاي اسمز معکوس باردار هم استفاده شد. اين مدل فرض مي کند که بار در سطح غشا به شکل يکنواخت پخش شده و به پارامترهاي ساختاري غشا نظير اندازه حفره بستگي ندارد. اين مدل از نظر رياضي و حجم محاسبات ساده است اما دامنه کاربرد محدودي دارد چرا که در مورد حفره هاي بزرگ نمي توان فرض بار يکنواخت را به کار برد[62].
2-2-2- مدل بار فضايي
يکي ديگر از مدل هاي رايج مورد استفاده مدل بار فضايي17 است. اين مدل بر مبناي معادلات هيدروديناميک جريان پيوسته است و اثرات الکترواستاتيک را هم لحاظ مي کند. همچنين توزيع شعاعي غلظت و پتانسيل الکتريکي را هم در نظر مي گيرد. در اين مدل دبي جرمي با معادلات اصلاح شده نرنست-پلانک لحاظ مي شود. اين مدل سال ها پيش از به وجودآمدن بحث مدل سازي نانوفيلتراسيون توسط استرل18 و همکاران در سال 1968 ارائه شد[64 ،63]. اين مدل نسبت به مدل بارثابت انعطاف پذيرتر است، چرا که توزيع بار در سطح غشا را يکنواخت در نظر نگرفته و توزيع شعاعي را براي بار در نظر مي گيرد. مشکل اين مدل اين است که از نظر رياضي پيچيده بوده و بار محاسباتي زيادي را به رايانه اعمال مي کند. سونين19 و همکاران در سال 1972 براي کاهش حجم محاسبات مدل بار فضايي از معادله پويسوله20 به جاي معادله ناوير استوکس براي به دست آوردن توزيع سرعت استفاده کردند[66 ،65].
لوين21 و همکاران هم در سال 1975 پيشنهاد کردند که به جاي حل معادله پويسون بولتزمن براي توزيع شعاعي بار، در شرايطي که غلظت الکتروليت کم بوده و پتانسيل الکتريکي زياد باشد مي توان از معادله اشپيگر22 استفاده کرد و به اين ترتيب مساله از نظر محاسباتي ساده تر شد[67]. در سال 1995 وانگ23 و همکاران از مدل بار فضايي براي پيش بيني عملکرد غشاي نانوفيلتراسيون استفاده کردند و نتايج را با حل تحليلي و نيز مدل بار ثابت مقايسه کردند. که نتايج هر دو مدل، مخصوصا در مورد حفره هاي ريز تطابق مناسبي با يکديگر داشت[68].
2-3- مدل‌سازي الياف توخالي24
گرچه فرآيندهاي انتقال جرم و جداسازي در اشکال مختلف غشاها انجام شده ولي در اين ميان غشاهاي الياف توخالي بيش تر از ساير انواع مورد استفاده صنعتي واقع شده است. الياف توخالي که شماتيکي از آن ها در شکل 2-1 نشان داده شده، معمولا براي فرآيندهايي با نيرومحرکه فشارطراحي مي شوند و بيش تر به صورت سيستم متشکل از جريان هاي موازي استفاده مي شوند، به شکلي که دو سيال موازي هم ولي در جهت مخالف هم جريان دارند. در اغلب کاربردها از غشاي الياف توخالي ميکرومتخلخل استفاده شده است که اندازه حفرات در آن يکنواخت بوده است. ظرفيت الياف توخالي بسته به کاربرد آن مي تواند متفاوت باشد و تا دبي هاي حدود چندهزار ليتر در دقيقه را هم مي تواند پوشش دهد. چنين غشاهايي در کار سنگوبتا25 و همکاران در سال 1994 به کار رفته است[69].
شکل 2-1- شمايي از سيستم غشايي الياف توخالي[70]
مطالعات و کارهاي زيادي در زمينه استفاده از الياف توخالي براي مصارف صنعتي صورت گرفته است. در اين کارها از اشکال مختلف سيستم و نيز مواد متفاوتي استفاده شده است. ريد26 و همکارانش در سال 1994 جداسازي ترکيبات آروماتيک از پساب هاي صنعتي را در هلند انجام دادند که در آنl/h 75 از پساب آب در سه بخش مجزاي سيستم مورد جداسازي واقع شد که هرکدام از اين بخش ها داراي سطح مقطع m23-2 است[71]. اين سيستم غشايي ازنظر جداسازي عملکردي مطلوب داشته است به لحاظ اقتصادي هم مناسب و قابل مقايسه با سايرفرآيندهاي مشابه بوده است. طي يک تحقيق ديگر سيرکار27 و همکاران در سال 1991 از مدول هاي الياف توخالي آب دوست جهت جداسازي اسيد سيتريک از آب استفاده کردند. اثر دبي فاز آبي، اثر دبي فاز آلي و غلظت مورد بررسي واقع شد و يک مدل رياضي براي پيش بيني اثر واکنش شيميايي روي انتقال جرم هم پيشنهاد داده شده است[72].
دو مثال از جداسازي مايع-مايع توسط ماستو مورا28 و همکاران در سال 1991 بررسي شده است. که در آن ها از غشاي آب دوست براي مطالعه استخراج اتانول، ايزوپروپانول و ان-بوتانول استفاده شده است[73]. بروس29 در سال 1993 از روغن پياز و بقيه گياهان براي انجام فرآيند جداسازي روي جريان هاي پساب استفاده کرد[74]. در بيش تر مصارف صنعتي و تحقيقاتي از نمونه هاي کوچک غشاهاي الياف توخالي استفاده شده است. اما سيستم هاي بزرگ به دليل مشکلات مواد و ساخت هنوز به طور گسترده قابل استفاده نشده است.
مدل هاي زيادي براي پيش بيني عملکرد الياف توخالي ها استفاده شده است که از کار ژانگ30 در سال 1985شروع شده است و پس از آن نيز کارهاي ديگري انجام شده است[75]. در اين مطالعات هم جذب فيزيکي و هم جذب شيميايي در اين فرآيند مطالعه شده است. يکي از رايج ترين تحقيقات در اين سال ها مطالعه بر جداسازي کربن دي اکسيد از گاز طبيعي بوده است. که کارهاي زيادي روي جذب آن انجام شده است. از جمله محمد و همکاران در سال 2008 مدل سازي حذف دي اکسيد کربن از گاز طبيعي را با استفاده از غشاي الياف توخالي انجام دادند که نتايج مدل سازي تطابق بسيار مناسبي با داده هاي تجربي داشت در اين مدل‌سازي براي سادگي کار يک فيبر و فضاي اطراف آن در سمت پوسته به صورت يک استوانه تودرتو فرض مي شود که شکل2-2 شمايي از اين نوع فرض را در مورد غشاي الياف توخالي رانشان مي دهد. [76].
غشاهاي الياف توخالي انواع مختلفي به لحاظ اندازه حفرات غشا دارد. يکي از انواع غشاهاي الياف توخالي که در سال‌هاي اخير مورد استفاده قرار گرفته ، غشاهاي الياف توخالي نانومتخلخل است که در فرآيندهاي جديد مورد توجه واقع شده است. از جمله وانگ31 و همکاران در سال 2006 از غشاي نانوفيلتراسيون الياف توخالي براي حذف کرومات استفاده کردند[77].
شکل 2-2- غشاي الياف توخالي ، الف: فرض يک استوانه تودرتو براي يک فيبر



قیمت: تومان


پاسخ دهید