2 – 12 – 1. نفوذ ———————————————————– 52
2 – 12 – 2. جذب ———————————————————- 54
2- 13. اسمز معکوس ——————————————————— 55
2 – 14. غشاءهاي ماتريس آميخته ——————————————— 65
فصل سوم: مواد و روشها
3 – 1. مواد شيميايي ——————————————————– 81
3 – 1 – 1. پليال ———————————————————– 82
3 – 1 – 2. دي ايزوسيانات ————————————————— 82
3 – 1 – 3. زنجيرگسترنده —————————————————- 83
3 – 1 – 4. کاتاليست ——————————————————– 83
3 – 1 – 5. حلال ———————————————————- 83
3 – 2. روش انجام کار ——————————————————- 84
3 – 2 – 1. تجهيزات و امکانات مورد نياز براي سنتز پلييورتان ———————- 84
3 – 2 – 2. واکنش سنتز پلييورتان ——————————————– 85
3 – 2 – 3. ساخت غشاي چگال از پلييورتان خالص ——————————- 88
3 – 2 – 4. فيلمکش با تيغه استيل قابل تنظيم ———————————– 88
3 – 3. نکات ضروري ——————————————————- 89
3 – 4. دستگاه مورد استفاده براي تست غشاء ———————————— 92
3 – 4 – 1. سيستم اسمز معکوس با مدول غشائي ——————————— 92
3 – 5. طرح آزمايشات ——————————————————- 96
3 – 6. بررسي مشخصات غشاء ———————————————– 96
3 – 6- 1. آناليز گرماسنجي روبشي تفاضلي ————————————- 96
3 – 6 – 2. آناليز طيف سنجي مادون قرمز فوريه ——————————— 97
3 – 6 – 3. آناليز ميکروسکوپ الکتروني —————————————- 97
3 – 6 – 4. آناليز توزين حرارتي (TGA) ————————————— 98
3 – 6 – 5. آناليز زاويه تماس (CA) ——————————————- 98
فصل چهارم: بحث و نتيجه گيري
4 – 1. نتايج آناليزهاي غشاءهاي ساخته شده ———————————— 102
4 – 1 – 1. نتايج آناليز RFTI ———————————————– 102
4 – 1 – 2. نتايج آناليز DSC ———————————————– 103
4 – 1 – 3. نتايج آناليز TGA ———————————————— 107
4 – 1 – 4. نتايج حاصل از آناليز CA —————————————— 109
4 – 1 – 5. نتايج آناليز SEM ———————————————— 110
4 – 2. آزمونهاي تراوايي غشاء ———————————————– 114
4 – 2 – 1. بررسي اثر فشار بر روي تراوايي غشاء ——————————– 114
4 – 2 – 2. بررسي تأثير گذشت زمان بر شار عبوري از غشاء————————- 115
4 – 3. نتيجه گيري نهايي ————————————————— 119
4 – 4. پيشنهادات ——————————————————— 121
منابع و مراجع ————————————————————– 122
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول – 1 – 1. آلايندههاي پساب و منابع آنها ————————————4
جدول – 1 – 2. استاندارد خروجي فاضلابهاي صنعتي —————————— 6
جدول – 2 – 1. مقايسه ميان چهار فرايند غشايي ———————————-20
جدول – 2 – 2. خلاصهاي از تکنولوژيهاي مختلف جداسازي غشايي ——————-22
جدول – 3 – 1. نام و مشخصات مواد استفاده شده ——————————– 81
جدول – 3 – 2. محاسبات ترکيب مواد اوليه براي سنتز پلييورتان ———————91
جدول – 4 – 1. دماي ذوب غشاءهاي مختلف با توجه به آناليز DSC —————- 106
جدول – 4 – 2. نتايج آناليز بررسي زاويهي تماس با سطح————————–109
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل – 1- 1. موازنه آب در پالايشگاه ———————————————-3
شکل – 2 – 1. نمايش ترسيمي دو فاز جدا شده توسط يک غشاء———————– 17
شکل – 2 – 2. مدول غشايي مارپيچي ——————————————- 25
شکل – 2 – 3. مقطع عرضي مدول مارپيچي ————————————– 25
شکل – 2 – 4. مدول غشايي صفحه و قاب ————————————— 26

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل – 2 – 5. مدول غشايي الياف ميان تهي ———————————— 26
شکل – 2 – 6. انجام فيلتراسيون به طريق جريان انتهاي بسته و جريان متقابل ———— 32
شکل – 2 – 7. تغيير شار و ضخامت کيک در جران انتهاي بسته و جريان متقابل ——– 32
شکل – 2 – 8. اشکال مختلف اولترافيلتراسيون با جريان – متقابل ———————33
شکل – 2 – 9. تغييرات شار عبوري از غشاء با تغيير شرايط عملياتي —————— 35
شکل – 2 – 10. اثر عوامل مختلف بر فرايند اسمز معکوس —————————- 63
شکل – 3 – 1. تصويري از سامانه مورد استفاده در سنتز پلييورتان ——————— 85
شکل – 3 – 2. سنتز پلي‌يورتان از طريق واکنش دو مرحله‌اي ————————- 87
شکل – 3 – 3. فيلم کش غشاء با تيغه تمام استيل متحرک —————————89
شکل – 3 – 4 . سيستم اسمز معکوس آزمايشگاهي همراه با مدول غشاء——————94
شکل – 3 – 5. مدول غشايي باز شده ———————————————95
شکل – 3 – 6. مدول غشايي بسته ———————————————–95
شکل – 4 – 1. طيف FTIR غشاءهاي ساخته شده———————————103
شکل – 4 – 2. نتايج آناليز گرماسنجي روبشي تفاضلي ——————————105
شکل – 4 – 3. نمودار آناليز تخريب حرارتي با دستگاه TGA ———————— 108
شکل – 4 – 4. تصاوير SEM سطحي و مقطع شکست غشاءهاي پلي يورتان (PU)——- 113
شکل – 4 – 5. نمودار بررسي اثر فشار بر شار عبوري از غشاء ———————– 115
شکل – 4-6. نمودار ميزان جداسازي با گذشت زمان ——————————- 116
شکل – 4-7. نمودار ميزان شار عبوري با گذشت زمان ——————————-117
چکيده
امروزه جداسازي غشايي به عنوان جايگزين فناوريها معمول فرايندهاي جداسازي و به ويژه در جداسازي گازها و محلولهايي با آلودگيهاي خيلي کم و يا دست يابي با درجه خلوص بالا مطرح شده است. غشاءهاي پليمري براي جداسازي استفاده مي شوند با اين حال عملکرد جداسازي آنها به اندازه کافي براي امکان سنجي صنعتي مناسب نيست. از سوي ديگر غشاءهاي معدني داراي عملکرد جداسازي خوبي هستند اما فراوري آنها با مشکلاتي همراه است. بنابراين توسعه غشاهءها با مورفولوژي جديد براي اصلاح خواص تراوش گازي غشاءها مورد نياز است.
در نتيجه غشاءهاي ماتريس آميخته متشکل از ماتريسهاي پليمري و ذرات معدني / آلي پراکنده در ابعاد نانو نوع جديدي از غشاءها هستند که براي از بين بردن محدوديت غشاءهاي پليمري توسعه داده شدهاند. بهترين مکانيزم انتقال از اين غشاء ها با بررسي اثر پارامترهاي آماده سازي و عملياتي ميتواند به دست آيد. در اين پروژه به بررسي اثر مقادير 3 درصد وزني از نانوسيليکا اصلاح نشده و نانوسيليکا اصلاح شده با فلوئور (نانو سيليکا فلوئوره)، زمان و فشار بر عملکرد جداسازي غشاءهاي آميخته نانوکامپوزيتي پرداخته ميشود. غشاءهاي مورد استفاده در اين پروژه يک ساختار خاص از پلييورتان و نانوذرات سيليکا و سيليکا فلوئوره ميباشد. ساخت غشاءهاي خالص پلي يورتان و غشاءهاي ماتريس آميخته پلي يورتاني مورد بررسي قرار گرفته است. نانو ذرات سيليکا اصلاح نشده از شرکت مرک (آلمان) تهيه شدهاند ونانو ذرات سيليکا فلوئوره در دانشگاه شيراز سنتز شدهاند. غشاءها با استفاده از فيلمکش و روش تبخير حلال تهيه شدهاند.
براي تفهيم بهتر از ساختار غشاء آناليزهاي TGA ، FESEM ، FTIR ، DSC وContact angle (CA) استفاده شده است. آناليز DSC نشان داد که افزايش نانوذرات منجر به افزايش دماي انتقال شيشهاي و مقاومت حرارتي نانوکامپوزيتهاي پليمري ميشود. آناليز FTIR حضور ذرات نانوسيليکا و فلوئور را بر روي سطح نانوکامپوزيتها نشان ميدهد. تصاوير SEM تغيير مورفولوژي پليمر را با اضافه کردن نانوذرات نشان ميدهد. آناليزTGA افزايش مقاوت حرارتي را با اضافه کردن نانوذرات را نشان ميدهد. آناليز CA اثر نانوذرات را بر روي آب دوستي يا آب گريزي غشاء نانوکامپوزيتي را نشان ميدهد. افزايش نانوذرات تراوايي گاز آمونياک را از غشاء به طور چشمگيري افزايش ميدهد.
واژه هاي کليدي :
جداسازي غشايي ، نانوکامپوزيت ، پلي يورتان ،آمونياک ، غشاءي ماتريس آميخته
فصل اول
مقدمه
1 – 1. مقدمه:
حضور ترکيبات آلي در آب يکي از عمدهترين منابع اصلي آلودگي محيطهاي آبي ميباشند. امروزه گازها اهميت خاصي پيدا کردهاند به طوري که عمده خوراکهاي صنايع شيميايي گازها هستند که ميتوان به آمونياک، نيتروژن، اکسيژن، گازهاي طبيعي اتيلن و پروپيلن اشاره کرد. جداسازي يک يا چند گاز در بسياري از صنايع لازم و ضروري است. بسياري از اين ترکيبات براي جانوران و گياهان و محيط زيست خطرناک هستند. ترکيبات آروماتيک سميتر از ترکيبات آليفاتيک هستند و اجزاي با وزن ملکولي متوسط سميتر از اجزاي سنگينتر (نظير قيرها) ميباشند. از فرايندهايي که امروزه براي جداسازي به کار ميروند ميتوان به تقطير سرمايشي، جذبسطحي، جذب و جداسازي غشايي اشاره کرد ] 4 – 1 [ .
در فرايندهاي زيادي در پالايشگاهها، پتروشيميها و صنايع زيردستي نياز به آب وجود دارد ولي در همه اين فرايندها نياز به آب تصفيه شده با درجه ي خلوص بالا نيست و ميتوان از آبهاي بازيابي شده نيز در بسياري از موارد استفاده کرد. قسمت عظيمي از آب مورد استفاده ميتواند بازيابي گردد و کسري از آن به علت تبخير در مراحل مختلف هدر ميرود. عمدهترين منابع توليد پسابهاي نفتي و پالايشگاهي، جريان پساب حاصل از عمليات نفتي و گازي ميادين خشکي و دريايي است. بازيابي پسابها به خصوص در نواحي نفت خيز خشک به دليل کمبود آب بسيار مهم است. حجم آب توليدي در حين فرايندهاي نفتي که اصطلاحاً به آن آب توليد شده گفته ميشود در مورد ميادين خشکي ايالات متحده سالانه در حدود 33 ميليارد بشکه تخمين زده شده است . اين آبهاي توليدي به علت دارا بودن مقادير قابل توجهي مواد نفتي، آلي و معدني قابليت تزريق به چاه يا تخليه در آبهاي سطحي را ندارند ] 5 [. شکل 1-1 يک نمونه از موازنه آب در يک پالايشگاه را نشان ميدهد.
برجهاي خنککننده؛ تبخيراتلاف بخار باران
آبهاي سطحي
آبهاي موجود در محصولات
آبهاي خريداري شده
آب موجود در نفت خام
پسابآبهاي بازيابيآبهاي زيرزميني
شکل 1-1- موازنه آب در پالايشگاه ] 6 [
به طور تقريبي 5 تا 3/5 متر مکعب پساب (با فرض اينکه آب خنک کن مورد استفاده در پالايشگاه بازگرداني شود) به ازاي هر تن نفت خام ورودي به پالايشگاه توليد ميشود و کيفيت پسابهاي توليدي و خصوصيات آنها به نوع و وضيعت فرايند بستگي دارد ] 6 [.
1 – 2 .ترکيبات موجود در پسابهاي پالايشگاهي
پسابهاي حاصله از بخشها و فرايندهاي مختلف بسته به ماهيت هر مرحله داراي مشخصههاي آلايندگي متفاوتي هستند. ترکيبات حاضر در پسابهاي مختلف عبارتند از هيدروکربنها (آليفاتيک يا آروماتيک)، کامپونتهاي نيتروژن، ترکيبات فنلي، نفتخام، حلالها، کلريدها، گوگرد و … ] 7 [. در جدول 1-1، منابع آلايندههاي صنايع پالايشگاهي آورده شده است .
جدول (1 – 1 ) آلاينده هاي پساب و منابع آنها ] 7 [.
آلاينده هامنابع و مواد آلي ناچيزآبهاي فرايندي (بخصوص واحد کراکينگ کاتاليستي سيال و کک سازي) و روغنآبهاي فرايندي
خروجي ازبرجهاي خنک کننده (اگر هيدروکربنها به سيستم خنک کننده آب نفوذ پيدا کنند)
مجموع جامدات معلقآب هاي فرايندي
خروجي از برج هاي خنک کننده (اگر هيدروکربنها به سيستم خنک کننده آب نفوذ پيدا کنند)
خروجي جريان تانک ها و زهاب هافنل هاآب هاي فرايندي (بخصوص واحد کراکينگ کاتاليستي سيال)
فلزات سنگينآب هاي فرايندي
خروجي جريان تانک ها و زهاب ها
خروجي ازبرج هاي خنک کننده (اگر مواد شيمياي از نوع کرومات در عمليات خنک کردن آب استفاده شود)
همان گونه که در جدول فوق بيان شده است منابع مختلف و همچنين آلايندههاي مختلفي براي براي ايجاد آلودگي در آب در صنايع پالايشگاهي و صنايع زيردستي وجود دارد از آنجا که در اين پروژه تمرکز ما در حذف آمونياک ميباشد از بيان ساير آلايندهها و روشهاي حذف آنها خودداري ميکنيم.
1 – 3. استاندارد دفع پساب
صنعتي شدن موجب پيشرفت اقتصادي کشورها مي گردد. با اين حال ، موجب مصرف منابع طبيعي و افزايش تقاضاي انرژي نيز مي شود. به علاوه ضايعات صنعتي يکي از نگراني هاي محيط زيستي است. دفع فاضلاب بدون تصفيه مناسب مي تواند اثرات مخرب طولاني مدتي به خصوص بر روي گياهان و آبزيان منطقه داشته باشد. از اين رو لازم است که صنايع با آلودگي بالا روشهاي تصفيه مناسبي را براي کاهش آلودگي پساب هاي خود در نظر بگيرند] 7 ، 6 [ بدين منظور، براي پساب هايي که وارد محيط زيست مي شوند، استانداردهايي تعيين شده است. اين استانداردها بر حسب اينکه پساب ها وارد چه محيطي مي شوند، متفاوت است. براي مثال، استاندارد آب دريا و آب مورد استفاده در کشاورزي متفاوت است. جدول (1-2) حدود مجاز برخي آلاينده هاي صنعتي براي تخليه به آب هاي سطحي ، چاه جاذب و مصارف کشاورزي و آبياري را نشان مي دهد.
جدول (1-2) . استاندارد خروجي فاضلاب هاي صنعتي ] 7 [.
مواد آلايندهتخليه به آبهاي سطحي
تخليه به چاه جاذب
مصارف کشاورزي و آبياري
(تبصره 1)30 (لحظه اي 50)30 (لحظه اي 50)100(تبصره 1)60(لحظه اي 100)60(لحظه اي 100)200مجموع مواد جامد معلق
TSS20(لحظه اي 60)_100مجموع مواد جامد محلول
TDS(تبصره 1)(تبصره 2)_روغن و گريس101010(حدود)8.5 – 6.85 – 98.5 – 6کدورت
( واحد کدورت)50-50رنگ (واحد رنگ)757575دماتبصره 3– کرم0.511 کرم122 سرب111B بور211Zn روي222Fe آهن333Hg جيوهناچيزناچيزناچيزCa کلسيم75– فنل1ناچيز1 آمونيوم برحسب2.51-فسفات برحسب فسفر66- نيترات برحسب5010- نيترات برحسب1010- کلرايد600 (تبصره 1)600 (تبصره 2)600 سولفات400 (تبصره 1)400 (تبصره 2)500تخم انگل–تبصره 4
تبصره 1 – تخليه با غلظت بيش از ميزان مشخص شده در جدول در صورتي مجاز خواهد بود که پساب خروجي ،غلظت کلرايد ،سولفات و مواد محلول منبع پذيرنده را در شعاع 200 متري بيش از 10 درصد افزايش ندهد.
تبصره 2 – تخليه با غلظت بيش از ميزان مشخص شده در جدول در صورتي مجاز خواهد بود که پساب خروجي ،غلظت کلرايد ،سولفات و مواد محلول پساب خروجي نسبت به آب مصرفي بيش از 10 درصد نباشد.
تبصره 3 – درجه حرارت بايد به ميزاني باشد که بيش از 3 درجه سانتيگراد در شعاع 200 متري محل ورود آن، درجه حرارت منبع پذيرنده را افزايش يا کاهش ندهد.
تبصره 4 – تعداد تخم انگل ( نماند) در فاضلاب تصفيه شده شهري در صورت استفاده از آن جهت آبياري محصولاتي که به صورت خام مورد استفاده قرار ميگيرند، نبايد بيش از يک عدد در ليتر باشد.
در ميان آلاينده هاي موجود درآبهاي فرايندي که نياز به تصفيه دارند، غلظت عمومي آمونياک در پسابهاي توليد شده در پالايشگاههاي نفت و پتروشيمي متفاوت ميباشد و خروجي از واحد هاي سنتي حاوي مقادير آمونياک بيشتر ازحد قبول استانداردهاي بينالمللي است.
مقادير آمونياک موجود در پسابهاي آلوده به آمونياک که به آبهاي سطحي تخليه ميشوند گاهي به 2000 ميليگرم بر ليتر ميرسد، اين مسأله مخرب و تأسفبار است.
1 – 4. مشکلات ناشي از وجود آمونياک وکامپونتهاي نيتروژن در آب
تعداد زيادي فرايند هاي صنعتي در صنايع پالايشگاهي و در صنايع زيردستي وجود دارد که لازم است آمونياک (NH3) وکامپونت هاي نيتروژن از ترکيبات ساير گازها يا بخار هاي آبي جدا شود. وجود کامپونت هاي نيتروژن و آمونياک در آب باعث چنين مشکل محيطي مي شوند ] 7 ، 6 [. برخي از اين مشکلات عبارتند از :
* انباشتگي در آب هاي سطحي
* افزايش اثر سمي بر روي ماهيان
* کاهش ضريب ضدعفوني
* خطر مسموميت ساکنين ساحلي
* افرايش ميزان اکسيژن حل نشده در آب
* مشکلات بچه هاي مبتلا به يرقان و …
بنابراين کنترل کامپونتهاي نيتروژن و آمونياک در پسابهاي صنعتي و همچنين آبهاي سطحي الزامي است ] 7 [ .
1 – 5 . روشهاي حذف آمونياک و کامپونتهاي نيتروژن در آب
تلاشهاي زيادي براي حذف يا جذب آمونياک و کامپونتهاي نيتروژن از آبهاي سطحي و پسابهاي صنعتي شدهاست تا يک روش جذب عملي وکارآمد براي رفع اين مشکل مطرح شود ] 7 [. روشهاي زيادي براي جداسازي آمونياک و کامپونتهاي نيتروژن آزمايش شده است ] 7 [، از قبيل :
* تخريب حرارتي
* تبخير
* روشهاي شيميايي و فيزيکي
* روشهاي بيولوژيکي شامل نيتروژن دهي / نيتروژن گيري
* کلردار کردن نقطه شکست
* تبادل آهن
* زدودگي هوا
* جداسازي با انجماد کامل
* روشهاي غشايي
روشهاي معمول در تصفيه پسابهاي آلوده به آمونياک در صنايع پتروشيمي و پالايشگاهي تخريب حرارتي، تبخير و فرايندهاي جذب و واجذب غشايي ميباشد ] 7 [ . روش هاي تخريب حرارتي و تبخير داراي معايب متعددي هستند، از قبيل :
* فرايند شديداً به تغيير کيفيت پساب حساس است.
* تجهيزات به کار رفته اندازه بزرگي دارند.
* در برخي از موارد ماده شيميايي نياز است.
* بسته به کاربرد آن هزينه عمليات ممکن است بالا باشد.
* ممکن است حجم لجن زيادي توليد شود.
* نمي توان به خلوص با درجات بالا دست يافت.
* نياز به کنترل دقيق و اپراتورهاي با مهارت براي رسيدن به عمليات بهينه دارد.
با توجه به معايب بيان شده و اهميت آبهاي عاري از آلودگي در صنايع مختلف وهمچنين آبهاي سطحي روشهاي نوين غشايي مطرح شدند] 7 ، 6 [ .
1 – 6 . فرايندهاي غشايي
مطالعه پيرامون جداسازي غشايي براي پالايش آب هاي آلوده به پساب هاي نفتي از اوايل ده هفتاد ميلادي آغاز شده و بعد از آن گزارش هاي زيادي در مورد استفاده از اولترا فيلتراسيون و اسمزمعکوس براي آن منظور منتشر شد] 8 [.انواع مختلف غشاءهاي ميکروفيلتراسيون و اولترا فيلتراسيون براي اين منظور مورد استفاده قرار گرفتند . خصوصياتي از قبيل تخلخل بالا ، آب دوستي يا آب گريزي سطح غشاء ، توانايي عمليات با تغييرات دما و فشار ، سازگاري با عوامل شيميايي مورد استفاده براي تصفيه و تميز کردن ، طول عمر زياد و هزينه کم از جمله عواملي هستند که براي انتخاب يک غشاء در نظر گرفته مي شوند ] 9 [.
تکنولوژي غشايي به علت توانايي توليد خروجي با کيفيت که با استانداردها مطابقت دارد، روش مناسبي براي تصفيه آب ، پساب وفاضلاب محسوب مي شوند . تکنولوژي غشايي با توجه به همه مزايايي که نسبت به ساير روش هاي جداسازي دارد ، داراي معايب خاصي نظير مقاومت اندک نسبت به پساب هاي سمي است ] 8 [، همچنين مشکل گرفتگي غشاء از مسائل مهم در ارتباط با اين تکنولوژي مي باشد . گرفتگي غشاء باعث افزايش هزينه هاي عملياتي ، کاهش فلاکس خروجي از سيستم ، نياز به تميز کردن فيزيکي و مکانيکي مکرر غشاء ، کوتاه شدن طول عمر غشاء و در نهايت پايين آمدن کاراي غشاء و کل فرايند مي شود.
1 – 7 . اهداف پروژه

هدف اين پروژه ساخت غشاءي نانوکامپوزيتي با تمرکز بر جداسازي آمونياک از پساب هاي پالايشگاهي وصنايع زير دستي مي باشد. وجود آمونياک و کامپونت هاي نيتروژن در آب باعث چندين مشکل محيطي براي آبزيان ومحيط زيست مي شوند که در طولاني مدت بسيار مخرب مي باشد.
انتخابپذيري و تراوايي آمونياک بايد زياد باشد تا سيستم موثرتر عمل نمايد و بتواند توجيح اقتصادي داشته باشد.
در اين مطالعه ساخت و بررسي عملکرد غشاء نانوکامپوزيتي از جنس پلي يورتان استري آميخته با نانو ذرات سيليکا ونانوذرات سيليکا فلوئوره مورد بررسي قرارگرفت. خواص غشاءهاي ساخته شده توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)، کالريمتري ديفرانسيلي روبشي (DSC) ، آزمون طيف سنجي مادون قرمز (FTIR) ، TGA و Contact angle مشخص مي شود . براي تعيين کارايي غشاءهاي ساخته شده از نمونه پساب واحد کراکينگ پتروشيمي شيراز استفاده شد.
1 – 8 – نتيجه گيري
منابع مختلفي براي ايجاد پساب هاي پالايشگاهي و صنعتي وجود دارد. کيفيت اين پساب ها نيز متغير مي باشند. روشهاي عمومي براي جداسازي آمونياک و کامپونت هاي نيتروژن از پسابهاي پالايشگاهي همچون تخريب حرارتي و تبخير علي رغم اين که حجم زيادي را اشغال مي کنند و هزينه عملياتي بالايي دارند، قادر به تامين نيازمند ي هاي خلوص بالا نمي باشند. روشهاي غشايي علاوه بر سادگي فرايند و هزينه هاي سرمايه گذاري اوليه کمتر، محصولاتي با خلوص بالا و يکسان که به کيفيت پساب ورودي وابسته نمي باشند توليد ميکنند. همچنين اين واحدها داراي اندازه کوچک بوده و حجم لجن کمي توليد مي کنند، به طوري که طرح پيشنهادي از طرف آژانس حفاظت محيط زيست ايالات متحده تکنولوژي غشايي به عنوان بهترين روش براي تصفيه آب توليدي ميادين نفتي و گازي معرفي شده است ] 3 [.
فصل دوم
فرايندهاي غشايي
2- 1 . غشاء چيست؟
سه تعريف متفاوت از غشاء از سه ديدگاه مختلف ارائه شده است:
الف- لايه اي است نازک که مي تواند اجزاء يک سيال را به صورت انتخابي جدا کند، در اين جداسازي اندازه ذرات نقش اساسي دارد.
ب- اگر غشاء برمبناي کاري که انجام مي دهد تعريف شود مي توان گفت غشاء مواد را بصورت انتخابي از خود عبور مي دهد.
ج- در عمليات جداسازي، دوفاز وجود دارد که فاز سومي (غشاء)بين آنها قرار ميگيرد و انتقال جرم را کنترل مي کند.
در نهايت غشاء را با يک بيان ساده مي توان اينگونه تعريف کرد: غشاء يک حائل نيمه تراوا مي باشد که تحت يک نيروي محرک خاص به يک يا چند گونه انتخابي از مخلوط هاي گازي يا مايع يا يک محلول به طور ترجيحي اجازه عبور مي دهد. همانطور که در شکل (2-1) نشان داده شده است خوراک توسط غشاء به دو جريان يکي جريان پسماند (بخشي از خوراک که اجازه عبور از غشاء را پيدا نمي کنند) و ديگري جريان عبوري(بخشي از خوراک که از غشاء عبور مي نمايد) تجزيه مي گردد ] 11 ، 10 [ .
عملکرد يک غشاء با دو فاکتور اصلي تعيين مي شود که عبارتند از شار عبوري از غشاء و انتخابگري يا پس دهي غشاء. شار يا شدت تراوش پذيري عبارت است از شدت جريان حجمي (مولي يا جرمي) که در واحد زمان از واحد سطح غشاء عبور مي نمايد. انتخابگري يا فاکتور جدا سازي که در مورد مخلوطي از مايعات امتزاج پذير يا گازها مطرح مي گردد، به صورت نسبت تراوش پذيري اجزاي مورد نظر تعريف مي شود. به عنوان مثال در زمينه جداسازي هوا و خالص سازي اکسيژن منظور از انتخابگري اين است که غشاء تا چه حد مي تواند اکسيژن را از نيتروژن جدا کند ]9[ . پس دهي نيز به صورت درصدي از جزء مورد نظر تعريف مي شود که از غشاء عبور نمي کند.
شکل ( 2 – 1 ) نمايش ترسيمي دو فاز جدا شده توسط يک غشاء
2 – 2. توسعه تاريخي غشاها
استفاده از غشاها، صنايع فرآيندي را توسعه داده است. غشاها در اواخر دهه 1920 براي استفاده در آزمايشگاه هاي بيولوژيکي به صورت تجاري تهيه شدند. تا هنگامي که غشاهاي نا متقارن تهيه نشده بودند، استفاده در مقياس وسيع از اسمز معکوس1 (RO) و اولترا فيلتراسيون2 UF)) ممکن نبود . در غشاهاي نامتقارن مقاومت در برابر تراوش در يک لايه در قسمت جريان پس زده شده 3 متمرکز شده است ساوربراجان و لويب در اوائل دهه 1960 توانستند که يک غشاء سلولزاستات (CA) نا متقارن را با استفاده از روش وارونگي فاز4 بسازند. بعد از مدت کوتاهي ، ميشل 5 سنتز يک غشاء پلي يوني نامتقارن را براي فرآيند UF انجام داد و بعد از آن موجي از پيشرفت در آن حاصل شد. در همين زمان بود که بر پايه کار پيشين بارر6 غشاهاي جداسازي گاز از فيلمهاي نازک پليمري ساخته شدند ]12[ .
استفاده از غشاهاي ميکرو فيلتراسيون 7 (MF) که به حالت جريان عمودي کار ميکنند، در زلال کردن جريان بسياري از سيالات بسيار معمول بوده است و استريل فيلتراسيون در اواسط دهه 1960 استفاده فراواني داشته است . الکترو دياليز8 (ED) از اولين فرآيندهاي جديد بوده که پايه صنعتي مهمي داشته، هرچند که پيشرفت هاي بعدي آن بسيار آهسته تر از فرآيندهاي ديگر بوده است. بسياري از غشاهاي اوليه ي UF که در آزمايشگاه ها و صنعت مورد استفاده قرار مي گرفتند، تا اواخر دهه 1960 اهميت چنداني نداشتند . با اين وجود RO به دليل برنامه هاي اداره آمريکايي آبهاي شور9 از توسعه بسيار سريعتري برخوردار بوده است ]12[.
دهه 1970 شاهد يک توسعه سريع در UF بود از اين جهت که صنعت پوشش الکتريکي10 رنگ و صنايع لبني واحدهاي بسياري از آن را براي جداسازي رنگ وحلال و تغليظ آب پنير خريداري کردند. بسياري از پليمرهاي جديد تست و کارهاي بنيادي با شدت بيشتري دنبال شدند. پيشرفتهاي تئوري هم در زمينه فرآيندهاي با نيرو محرکه فشار وهم در جداسازي گازها ايجاد شد. بعد از بعضي مشکلات اوليه در زمينه غيرقابل اطمينان بودن غشاها، سازندگان غشاها دريافتند که چگونه محصولات با قابليت اطمينان بالا و توانايي توليد مجدد را بسازند و به عنوان يک صنعت قابل اعتماد در آيند. طول عمر غشاها از ماه به سال افزايش يافت ودر حال حاضر غشاهاي جديد RO مي توانند تا 5 سال (باگارانتي) و غشاهاي UF تا 2 سال (باگارانتي) دوام داشته باشند ]12[.
در اوائل دهه 1980 مونسانتو11 جداسازي گازها را که در يک سيستم يا مقياس کامل براي چندين سال تست کرده بود، به صورت تجاري در آورد. اندکي بعد در همان دهه تراوش تبخيري (PV) معرفي شد و واحد هاي با مقياس کامل آن ساخته شد. اين توسعه بطور کامل در اروپا انجام شد و بر اساس کارهاي پيشتر جين نيل12 بود. دهه 1990 شاهد حضور غشاها در تمامي گستره فرآيندها بود. در حال حاضر بيشتر ساخت واستفاده از غشاها در اختيار اروپا ، آمريکا (داراي بيشترين سهم ساخت) و ژاپن مي باشد. غشاهاي جديد هرروزه در حال توسعه هستند.
دوران طلايي تکنولوژي غشايي (1960-1980) از سال 1960 با ابتکار لويب و ساوربراجان در ساخت اولين غشاء استات سلولز RO کاملا پوشش داده شده، آغاز شد. اين ابتکار هم از نظر تجاري و هم از نظر آکادميک، ابتدا براي نمک زدايي با RO و بعد در ساير فرآيندها و کاربردهاي غشايي ، جالب توجه بود . در حين اين دوره ، پيشرفتهاي مهمي در هر کدام از فازهاي تکنولوژي غشايي ايجاد شد ]12[ .
2 – 3 . دورنمايي از محدوده و کاربردهاي فرآيندهاي غشايي
فرآيندهاي جداسازي غشايي يکي از صنايعي است که در طي چند دهه اخير رشد سريعي داشته است. اين صنعت با توجه به کارايي متمايزش از ساير تکنولوژي هاي متداول جداسازي، توجه جهاني را در اين خصوص به خود جلب کرده است و به عنوان يک تکنيک جداسازي در بسياري از فرآيندها پذيرفته شده است. اين جا به جايي و تغيير از روشهاي قديمي ، مي تواند به دليل کيفيت محصول يا کاهش مصرف انرژي باشد ]9[ . در جدول (2 -1) ويژگيهاي فرآيندهاي غشايي بيان شده است.
جدول ( 2 – 1 ) مقايسه ميان چهار فرآيند غشايي ] 9 [.
اسمزمعکوسنانو فيلتراسيوناولترافيلتراسيونميکروفيلتراسيونغشاءنامتقارننامتقارننامتقارنمتقارن – نامتقارنضخامت
غشاي نازک
1
1
1اندازه حفره< 0.002< 0.002 0.2 – 0.02 0.4 – 0.02مواد سازنده غشاءلايه نازک
CA’لايه نازک
CA’لايه نازک
سراميک
CA’ ، PVDF² ، PS?سراميک
PVDF ‘ ، PS? ، PP²مدول غشاءلوله مارپيچي ، صفحه و قابلوله مارپيچي ، صفحه و قابلوله الياف ميان تهي ، مارپيچي – صفحه و قابلوله الياف ميان تهيفشار عملياتي15 – 150 bar5 – 35 bar1 – 10 bar< 2 bar
1- سلولزاستات، 2 – پلي- ويلينيدين- ديفلورايد، 3 – پليسولفون، 4 – پليپروپيلن
غشاءهاي MF براي جداکردن ذرات کلوئيدي به بزرگي چند ميکرومتر به کار مي روند غشاءهاي جداسازي گازها در کران ديگر ، يعني اندازه ملکولي ، کار مي کنند . در اين فرايند ملکول هاي با قطر حدود 3/0 ميکرومتر و با تفاوت اندازه ي 02/0 ميکرومتر جدا مي شوند. بنابراين گستره ي مؤثر قطر در کاربردهاي غشايي داراي نسبت است. غشاءهاي MF داراي بزرگترين اندازه حفره هستند و غشاءهاي UF داراي بزرگترين اندازه ي بعدي هستند. در نگاه اول براي افراد تازه کار غشاءهايMF و UF شبيه به نظر مي آيند، در واقع هم اين دو بيشتر شبيه هستند تا اينکه متفاوت باشند. اما به دليل تفاوت تاريخي زياد ، اين دو براي فعالان در زمينه غشاء وسازندگان غشاء و تجهيزات ، تمايز زيادي دارند ]9[ . در جدول (2-2) خلاصه اي از تکنولوژي هاي مختلف غشايي براي جداسازي بيان شده است.
جدول ( 2 – 2 ) خلاصه اي از تکنولوؤي هاي مختلف جداسازي غشايي ] 13 [.
فرآيندنوع غشاءماده عبور کنندهماده برگشت داده شدهوضعيت – کاربرد رايجميکرو فيلتراسيونميکروپروس
0.1 – 10آب ،
مواد حل شوندهباکتري، ذرات جامد معلقتوسعه يافته (حدود 700 ميليون دلار) حذف جامدات معلق، باکتري در صنايع دارو سازي ، الکترونيکاولترا فيلتراسيونميکروپروس
nm100 – 1آب ، مواد حل شدهمولکولهاي بزرگ ، کلوييد هاتوسعه يافته (حدود 150 ميليون دلار درسال).حذف مواد کلوييدي ازفاضلاب و جريانهاي فرآيندي صنايع غذايياسمز
معکوسچگال (غيرمتخلخل) – انحلال – نفوذ
آب
مواد حل شوندهتوسعه يافته (حدود 200ميليون دلار در سال). آّب آشاميدني از دريا، شور با آب هاي زيرزميني، توليد آب بسيار خالص براي صنايع الکترونيک و داروييالکترو دياليزلايه هاي باردار شده بوسيله جريان الکتريسيته
آّبيون هاتوسعه يافته (حدود 200 ميليون دلار در سال). آب آشاميدني از آب شور، همچنين برخي کاربردهاي صنعتيدياليزميکروپروس
nm 100- 10نمک هاي حل شده ، گازهاي حل شدهخونتوسعه يافته ( حدود 1.3 ميليارد دلار در سال براي کليه مصنوعي ، 500ميليون در سال براي شش مصنوعي)جداسازي گازچگال ( غير متخلخل ) – انحلال – نفوذگازها و بخارات قابل تراوشگازها و بخارات غير تراواتوسعه يافته ( حدود 150 ميليون دلار در سال). جداسازي نيتروژن از هوا ، هيدروژن از خروجي هاي پتروشيمي – پالايشگاه ، دي اکسيد کربن از گاز طبيعي ، پروپيلن ، ترکيبات آلي فرار از خروجي هاي پتروشيمي)تراوش تبخيريچگال (غيرمتخلخل) – انحلال – نفوذحل شونده هاي تراوا با اندازه ميکرو و حلال هاي تراواحل شونده هاي غير تراوا با اندازه ميکرو و حلال هاي غير تراواتوسعه يافته ( حدود 10 ميليون دلار در سال) آب زدايي از حلال ها (خصوصا اتانول)
2 – 4. مدول هاي فرايند هاي غشايي
غشاءها همواره در درون محفظه اي به نام مدول قرار مي گيرند. مدول ها به عنوان محل استقرار غشاء سه وظيفه ي مهم را انجام مي دهند :
* نگهداري غشاء
* کنترل حرکت سيال
* افزايش نسبت سطح غشاء به فضاي اشغال شده توسط غشاء
مدولهاي غشايي غالباً به صورت يکي از چهار شکل ذيل به کار گرفته مي شوند ]9[ :
* مدول لوله اي13
* مدول صفحه و قاب14
* مدول مارپيچي15
* مدول مويينه
مدولهاي لوله اي از قالب ريزي غشاء در نگهدارنده اي به شکل لوله از جنس فولاد ضد زنگ با پلاستيک ساخته مي شوند . مزيت اين سيستم مدول سهولت تنظيم سرعت جريان خوراک و سهولت تميز کردن غشاء در آن است. مدول مارپيچي (شکل(2 – 2) و (2 – 3)) همان ساختار مدول صفحه و قاب را دارد با اين تفاوت که صفحاتي از زوج غشاهايي که ازطرف لايه نگهدارنده به هم چسبيده اند به صورت يک مارپيچ حول يک محور مرکزي پيچيده شده اند. اين مدول داراي سطح بسيار زيادي در واحد حجم است اما نسبت به گرفتگي غشاء حساس مي باشد. مدول صفحه و قاب (شکل 2 – 4) از چندين طبقه غشاء ، ماده داخل نگهدارنده و فضاي خالي براي عبور جريان عبور کرده از غشاء تشکيل شده است. مزيت عمده اين مدول نسبت به مدول لوله اي بالا بودن سطح غشاء به ازاء واحد حجم آن است]9[ .
شکل ( 2 – 2 ) مدول غشايي مارپيچي ] 9 [.
مدول موئينه از تعداد زيادي لوله مويينه با قطر 0.5 – 1.5mm تشکيل شده است و مي تواند سطح بسيار زيادي را در واحد حجم داشته باشد. در نوع خاصي از اين مدول يعني مدول الياف ميان تهي غشاها داراي ساختاري نا متقارن در جهت شعاعي هستند (شکل 2 – 5) . يعني داراي يک پوسته متراکم (غشاء) در بيرون و يک لايه متخلخل (نگهدارنده) در درون لوله مي باشند. قطر الياف در محدوده 50 – 300 مي باشد ]9[ .
شکل ( 2 – 3 ) مقطع عرضي مدول مارپيچي ] 13 [.
بين انواع مختلف مدول هاي معرفي شده مدول الياف ميان تهي داراي بيشترين سطح غشاء به ازاي واحد حجم است . به عنوان مثال در مقايسه قبليت گرفتگي نوع موئينه بسيار بدتر از نوع مارپيچي و آن هم به ترتيب ازخيلي بدتر از نوع لوله اي و نوع صفحه و قاب مي باشد ]9[ .

شکل ( 2 – 4 ) مدول غشايي صفحه و قاب ] 9 [
شکل ( 2 – 5 ) مدول غشايي الياف ميان تهي ] 9 [
2 – 5 .مزاياي استفاده از تکنولوژي غشاء
کاربرد تکنولوژي جداسازي توسط غشاءها نسبت به فرايند هاي معمولي داراي برتري هاي فراواني مي باشد که در اينجا به عمده ترين آنها اشاره مي شود :
* با توجه به عدم تغيير فاز در اين روش ها مصرف انرژي به طور نسبي کمتر مي باشد.


دیدگاهتان را بنویسید